《TCP/IP协议详解》读书笔记(六)

2019, Jun 18    

第17章 TCP:传输控制协议

TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。面向连接意味着两个使用TCP的应用(通常是一个客户和一个服务器)在彼此交换数据之前必须先建立一个TCP连接。

TCP通过下列方式来提供可靠性:

  • 应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块。这和UDP完全不同,应用程序产生的数据报长度将保持不变。由TCP传递给IP的信息单位称为报文段或段(segment)。
  • 超时重传延时确认:当TCP发出一个段后,它启动一个定时器,等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认,将重发这个报文段。当TCP收到发自TCP连接另一端的数据,它将发送一个确认。这个确认不是立即发送,通常将推迟几分之一秒。
  • TCP将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和,目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错,TCP将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段(希望发端超时并重发)。
  • 既然TCP报文段作为IP数据报来传输,而IP数据报的到达可能会失序,因此TCP报文段的到达也可能会失序。如果必要,TCP将对收到的数据进行重新排序,将收到的数据以正确的顺序交给应用层。
  • 既然IP数据报会发生重复,TCP的接收端必须丢弃重复的数据。
  • TCP还能提供流量控制。TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。TCP的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。

面向字节流:两个应用程序通过TCP连接交换8bit字节构成的字节流。TCP不在字节流中插入记录标识符。我们将这称为字节流服务(byte stream service)。如果一方的应用程序先传10字节,又传20字节,再传50字节,连接的另一方将无法了解发方每次发送了多少字节。收方可以分4次接收这80个字节,每次接收20字节。一端将字节流放到TCP连接上,同样的字节流将出现在TCP连接的另一端。另外,TCP对字节流的内容不作任何解释。TCP不知道传输的数据字节流是二进制数据,还是ASCII字符、EBCDIC字符或者其他类型数据。对字节流的解释由TCP连接双方的应用层解释。

序号用来标识从TCP发端向TCP收端发送的数据字节流,它表示在这个报文段中的的第一个数据字节。如果将字节流看作在两个应用程序间的单向流动,则TCP用序号对每个字节进行计数

第18章 TCP连接的建立与终止

TCP连接三次握手

  1. 请求端(通常称为客户)发送一个SYN段指明客户打算连接的服务器的端口,以及初始序号(ISN,在这个例子中为1415531521)。这个SYN段为报文段1。
  2. 服务器发回包含服务器的初始序号的SYN报文段(报文段2)作为应答。同时,将确认序号设置为客户的ISN加1以对客户的SYN报文段进行确认。一个SYN将占用一个序号。
  3. 客户必须将确认序号设置为服务器的ISN加1以对服务器的SYN报文段进行确认(报文段3)。

TCP连接关闭为什么需要四次握手?

建立一个连接需要三次握手,而终止一个连接要经过4次握手。这由TCP的半关闭(halfclose)造成的。既然一个TCP连接是全双工(即数据在两个方向上能同时传递),因此每个方向必须单独地进行关闭。这原则就是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向连接。当一端收到一个FIN,它必须通知应用层另一端已经终止了那个方向的数据传送。发送FIN通常是应用层进行关闭的结果。

收到一个FIN只意味着在这一方向上没有数据流动。一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。而这对利用半关闭的应用来说是可能的,尽管在实际应用中只有很少的TCP应用程序这样做。

TCP连接关闭四次握手

四次挥手

TCP的状态迁移图

状态变迁图

2MSL等待状态

TIME_WAIT状态也称为2MSL等待状态。当TCP执行一个主动关闭,并发回最后一个ACK,该连接必须在TIME_WAIT状态停留的时间为2倍的MSL。这样可让TCP再次发送最后的ACK以防这个ACK丢失(另一端超时并重发最后的FIN)。

这种2MSL等待的另一个结果是这个TCP连接在2MSL等待期间,定义这个连接的socket(客户的IP地址和端口号,服务器的IP地址和端口号)不能再被使用。这个连接只能在2MSL结束后才能再被使用。

客户执行主动关闭并进入TIME_WAIT是正常的。服务器通常执行被动关闭,不会进入TIME_WAIT状态。这暗示如果我们终止一个客户程序,并立即重新启动这个客户程序,则这个新客户程序将不能重用相同的本地端口。这不会带来什么问题,因为客户使用本地端口,而并不关心这个端口号是什么。

然而,对于服务器,情况就有所不同,因为服务器使用熟知端口。如果我们终止一个已经建立连接的服务器程序,并试图立即重新启动这个服务器程序,服务器程序将不能把它的这个熟知端口赋值给它的端点,因为那个端口是处于2MSL连接的一部分。在重新启动服务器程序前,它需要在1~4分钟。

如果一方已经关闭或异常终止连接而另一方却还不知道,我们将这样的TCP连接称为半打开(Half-Open)的。

总结

两个进程在使用TCP交换数据之前,它们之间必须建立一条连接。完成后,要关闭这个连接。本章已经详细介绍了如何使用三次握手来建立连接以及使用4个报文段来关闭连接。

我们用tcpdump程序显示了TCP首部中的各个字段。也了解了连接建立是如何超时,连接复位是如何发送,使用半打开连接发生的情况以及TCP是如何提供半关闭、同时打开和同时关闭。

弄清TCP操作的关键在于它的状态变迁图。我们跟踪了连接建立与关闭的步骤以及它们的状态变迁过程。还讨论了在设计TCP并发服务器时TCP连接建立的具体实现方法。

一个TCP连接由一个4元组唯一确定:本地IP地址、本地端口号、远端IP地址和远端端口号。无论何时关闭一个连接,一端必须保持这个连接,我们看到TIME_WAIT状态将处理这个问题。处理的原则是执行主动打开的一端在进入这个状态时要保持的时间为TCP实现中规定的MSL值的两倍。