网络协议从入门到底层原理（5）传输层，java 编程项目实例教程
可靠传输
流量控制
拥塞控制
连接管理（建立连接、释放连接）
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)TCP - 数据偏移、保留
数据偏移
占 4 位，取值范围是 0b0101 ~ 0b1111（5~15）
数据偏移 * 4 = 首部长度（Header Length）
首部长度是 20 ~ 60 字节
保留
占 6 位，目前全为 0
**TCP 关于保留
字段的细节**
有些资料中，TCP 首部的 保留(Reserved)字段 占 3 位，标志(Flags) 字段占 9 位（Wireshark 中也是如此）
UDP 的首部 中有个 16 位的字段记录了整个 UDP 报文段的长度（首部+数据）。
但是，TCP 的首部 中仅仅有个 4 位的字段记录了 TCP 报文段的首部长度，并没有字段记录 TCP 报文段的数据长度。
UDP 首部中占 16 位的长度字段是冗余的，纯粹是为了保证首部是 32 位对齐
TCP\UDP 的数据长度，完全可以由 IP 数据包的首部推测出来
传输层的数据长度 = 网络层的总长度 - 网络层的首部长度 - 传输层的首部长度
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)TCP - 检验和（ CheckSum）
跟 UDP 一样，TCP 检验和的计算内容：伪首部 + 首部 + 数据
伪首部：占用 12 字节，仅在计算检验和时起作用，并不会传递给网络层
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)TCP - 标志位（Flags）URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN
URG（Urgent）
当
URG = 1时，紧急指针字段才有效。表明当前报文段中有紧急数据，应优先尽快传送
ACK（Acknowledgment）
当
ACK = 1时，确认号字段才有效
PSH（Push）
RST（Reset）
当
RST = 1时，表明连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立连接
SYN（Synchronization）
当
SYN = 1、ACK = 0时，表明这是一个建立连接的请求若对方同意建立连接，则回复
SYN = 1、ACK = 1
FIN（Finish）
当
FIN = 1时，表明数据已经发送完毕，要求释放连接
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)TCP - 序号、确认号、窗口
序号（Sequence Number）
占 4 字节
首先，在传输过程的每一个字节都会有一个编号
在建立连接后，序号代表：这一次传给对方的 TCP 数据部分的第一个字节的编号
确认号（Acknowledgment Number）
占 4 字节
在建立连接后，确认号代表：期望对方下一次传过来的 TCP 数据部分的第一个字节的编号
窗口（Window）
占 2 字节
这个字段有流量控制功能，用以告知对方下一次允许发送的数据大小（字节为单位）
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)TCP -【可靠传输】
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可靠传输是为了保证包的完整性，当有丢包、受到三次重复确认等情况，就会重新发包。
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)TCP -【可靠传输】- 停止等待 ARQ 协议
ARQ（Automatic Repeat–reQuest），自动重传请求
重传次数
若有个包重传了 N 次还是失败，会一直持续重传到成功为止么？
这个取决于系统的设置，比如有些系统，重传 5 次还未成功就会发送 reset 报文(RST) 断开 TCP 连接
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)TCP -【可靠传输】- 连续 ARQ 协议+滑动窗口协议
如果接收窗口最多能接收 4 个包，但发送方只发了 2 个包，接收方如何确定后面还有没有 2 个包？
等待一定时间后没有第 3 个包，就会返回确认收到 2 个包给发送方
现在假设每一组数据是 100 个字节，代表一个数据段的数据，每一组给一个编号
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)TCP -【可靠传输】- SACK（选择性确定）
在 TCP 通信过程中，如果发送序列中间某个数据包丢失（比如 1、2、3、4、5 中 3 丢失了）
TCP 会通过重传最后确认的分组后续的分组（最后确认的是 2，会重传 3、4、5）
这样原先已经正确传输的分组也可能重复发送（比如 4、5），降低了 TCP 性能
为改善上述情况，发展出了 SACK（Selective acknowledgment，选择性确认）技术
告诉发送方哪些数据丢失，哪些数据已经提前收到
使 TCP 只重新发送丢失的包（比如 3），不用发送后续所有的分组（比如 4、5）
SACK 信息会放在 TCP 首部的选项部分
Kind：占 1 字节。值为 5 代表这是 SACK 选项
Length：占 1 字节。表明 SACK 选项一共占用多少字节
Left Edge：占 4 字节，左边界
Right Edge：占 4 字节，右边界
一对边界信息需要占用 8 字节，由于 TCP 首部的选项部分最多 40 字节，所以
SACK 选项最多携带 4 组边界信息
SACK 选项的最大占用字节数 = 4 * 8 + 2 = 34
思考
为什么选择在传输层就将数据“大卸八块”分成多个段，而不是等到网络层再分片传递给数据链路层？
因为可以提高重传的性能
需要明确的是：可靠传输是在传输层进行控制的
如果在传输层不分段，一旦出现数据丢失，整个传输层的数据都得重传
如果在传输层分了段，一旦出现数据丢失，只需要重传丢失的那些段即可
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)TCP -【流量控制】
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流量控制是点对点、端对端，两台设备之间的。
如果接收方的缓存区满了，发送方还在疯狂着发送数据
接收方只能把收到的数据包丢掉，大量的丢包会极大着浪费网络资源
所以要进行流量控制
什么是流量控制？
让发送方的发送速率不要太快，让接收方来得及接收处理
原理
通过确认报文中窗口字段来控制发送方的发送速率
发送方的发送窗口大小不能超过接收方给出窗口大小
当发送方收到接收窗口的大小为 0 时，发送方就会停止发送数据
rwind = receive window = 接收窗口
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)TCP -【流量控制】- 特殊情况
有一种特殊情况：
一开始，接收方给发送方发送了 0 窗口的报文段
后面，接收方又有了一些存储空间，给发送方发送的非 0 窗口的报文段丢失了
发送方的发送窗口一直为 0，双方陷入僵局
解决方案：
当发送方收到 0 窗口通知时，这时发送方停止发送报文
并且同时开启一个定时器，隔一段时间就发个测试报文去询问接收方最新的窗口大小
如果接收的窗口大小还是为 0，则发送方再次刷新启动定时器
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)TCP -【拥塞控制】
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拥塞控制
防止过多的数据注入到网络中
避免网络中的路由器或链路过载
拥塞控制是一个全局性的过程
涉及到所有的主机、路由器
以及与降低网络传输性能有关的所有因素
是大家共同努力的结果
相比而言，流量控制是点对点通信的控制
TCP - 拥塞控制方法
慢开始（slow start，慢启动）
拥塞避免（congestion avoidance）
快速重传（fast retransmit）
快速恢复（fast recovery）
几个概念
MSS（Maximum Segment Size）：每个段最大的数据部分大小（在建立连接时确定）
一般是 MTU(1500) - 20 - 20 = 1460
cwnd（congestion window）：拥塞窗口
rwnd（receive window）：接收窗口
swnd（send window）：发送窗口
swnd = min(cwnd, rwnd)
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)TCP -【拥塞控制】- 慢开始（slow start）
cwnd 的初始值比较小，然后随着数据包被接收方确认（收到一个 ACK）
cwnd 就成倍增长（指数级）
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)TCP -【拥塞控制】- 拥塞避免（congestion avoidance）
ssthresh (slow start threshold)：慢开始阈值，cwnd 达到阈值后，开始拥塞避免（加法增大）
拥塞避免（加法增大）：拥塞窗口 cwind 缓慢增大，以防止网络过早出现拥塞
乘法减小：只要出现网络拥塞，把 ssthresh 减为拥塞峰值的一半，同时执行慢开始算法（cwnd 又恢复到初始值）
当网络出现频繁拥塞时，ssthresh 值就下降的很快
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)TCP -【拥塞控制】- 快重传、快恢复
快重传：
快恢复：
当发送方连续收到三个重复确认，说明网络出现拥塞
就执行 “乘法减小” 算法，把 ssthresh 减为拥塞峰值的一半
与慢开始不同之处是现在不执行慢开始算法，即 cwnd 现在不恢复到初始值
而是把 cwnd 值设置为新的 ssthresh 值（减小后的值）
然后开始执行拥塞避免算法（“加法增大”），使拥塞窗口缓慢地线性增大
快重传 + 快恢复：
发送窗口的最大值 swnd = min(接收窗口 cwnd, 堵塞窗口 rwnd)
当 rwnd < cwnd 时，是接收方的接收能力限制发送窗口的最大值
当 cwnd < rwnd 时，则是网络的拥塞限制发送窗口的最大值
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)TCP - 序号、确认号（详细步骤）
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序号、确认好 —— 相对：
序号、确认号 —— 原生：
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)TCP -【建立连接】- 3 次握手
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CLOSED：client 处于关闭状态
LISTEN：server 处于监听状态，等待 client 连接
SYN-RCVD：表示 server 接受到了 SYN 报文，当收到 client 的 ACK 报文后，它会进入到 ESTABLISHED 状态
SYN-SENT：表示 client 已发送 SYN 报文，等待 server 的第 2 次握手
ESTABLISHED：表示连接已经建立
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)TCP -【建立连接】- 前 2 次握手的特点
SYN 都设置为 1
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