5.3 传输控制协议TCP概述

思维导图：

5.3 传输控制协议TCP概述笔记

目的和方法概述

简介：TCP是一个复杂的协议，需先理解基础概念后再深入其可靠性、流量控制、拥塞控制等高级特性。
学习方法：分步骤逐渐深入，从基础特性理解到实现机制。

5.3.1 TCP最主要的特点

面向连接:
- 必须建立连接才能通信，类似于打电话的过程。
- 连接建立后，数据传输结束需释放连接。
点对点通信:
- 每个TCP连接只有两个端点，是一对一的通信。
可靠交付服务:
- 数据准确无误，不会丢失，不会重复，且按序到达。
- 通过序列号、确认应答、重传机制等实现。
全双工通信:
- 双方都可以同时发送和接收数据。
- 通过维护发送和接收缓冲区来管理数据。
面向字节流:
- TCP不关心传输的数据结构，只管字节序列。
- 发送方和接收方的数据块大小可能不一致。
- 接收方应用程序需要能够处理字节流并重建成有意义的数据。

图5-8 TCP面向字节流的概念说明：

示意图展示了TCP如何将应用数据处理成字节流并发送。
强调了TCP的发送策略是与UDP不同的，它基于窗口大小和网络拥塞控制决定报文段的大小。
TCP报文段在网络上传输时还会加上IP首部，进一步封装到数据链路层。
虽然示意图中报文段较小，但实际中TCP报文段可包含上千个字节。

注意事项：

虽然TCP提供可靠交付，但不保证实时性或最短延迟。
TCP的可靠性和控制特性可能引入额外的延迟和开销。
了解TCP的首部结构对于理解其功能至关重要。

我的理解：

让我们用一些日常生活中的比喻来理解TCP的工作原理：

面向连接（打电话）：想象你在打电话前，需要先拨号建立连接。对方接听后，你们开始通话。这就像是TCP的三次握手过程，确保双方都准备好了数据交换。通话结束后，你们要挂断电话，这类似于TCP连接的终止过程。
点对点（邮寄信件）：把TCP连接想象成寄一封信。信件从你（发送方）通过邮局发送到你的朋友（接收方）。就像TCP连接一样，信件只在你和你的朋友之间传递，没有第三方参与。
可靠性（快递服务追踪）：就像使用带有追踪服务的快递，即便包裹经过多个转运站，最终都能确保送达。如果包裹丢失，快递公司会找到它或者发送替代品。这就像是TCP的重传机制，确保所有数据都能准确到达。
有序传输（装配线）：想象一个装配线，部件必须按照一定的顺序组装。就算某个部件晚到了，装配工也会等待并按顺序装配好每个部件。TCP在接收数据时也是这样，即使数据包到达顺序不对，它们也会被重新排列，以保证最终数据的正确顺序。
流量控制（交通信号灯）：就像交通信号灯控制车辆流量，避免交通拥堵一样，TCP使用滑动窗口机制来控制数据流，以免网络或接收方处理不过来。
拥塞控制（人流控制）：想象一个音乐会入口，在人太多时需要限制进入速度以避免拥挤。TCP的拥塞控制也是如此，它能感知网络中的拥堵并调整数据发送速度。
全双工通信（双向车道）：把TCP连接想象成一条双向车道，允许汽车同时往来。即使在同一时刻，两辆车也可以互相穿过，类似于TCP连接的双方可以同时发送和接收数据。
面向字节流（电影流）：就像你在网上观看电影，虽然影片是由一帧帧图片组成的，但你感受到的是连续的视频流。TCP将数据作为一个连续的流处理，而不关心数据的具体边界。

5.3.2 TCP的连接

TCP连接的基础概念

面向连接的协议：TCP是一个面向连接的协议，这意味着在数据传输之前，必须在两个端点之间建立一个连接。
端点的定义：在TCP中，端点不是指主机、IP地址、应用进程或端口，而是指套接字（socket）。

套接字（Socket）

定义：套接字是IP地址与端口号的组合，用于唯一标识网络中的一个端点。
表示方法 ：套接字通过点分十进制的IP地址后接端口号表示，两者之间用冒号分隔。例如，IP为192.3.4.5、端口号为80的套接字表示为(192.3.4.5:80)。
数学表示 ：
- 套接字：socket = (IP地址:端口号)
- TCP连接：由两端的套接字唯一确定，TCP连接 := {socket₁, socket₂} = {(IP1:port₁), (IP2:port₂)}

TCP连接的唯一性

每一条TCP连接是通过通信双方各自的套接字唯一确定的，这两个套接字分别是连接两端的端点。
在网络中，同一个IP地址可以有多个不同的TCP连接；同样，同一个端口号也可以用于多个不同的TCP连接。

抽象层次

协议软件的抽象：TCP连接是由网络协议软件提供的一种抽象概念。
端点的抽象 ：尽管在讨论时我们可能会提到"应用进程之间的TCP连接"，但实际上TCP连接的端点是由套接字抽象表示的，即(IP地址:端口号)。

套接字（Socket）的多重含义

应用编程接口（API）：Socket作为应用程序访问网络协议的API，是传输层和应用层之间的接口，通常称为socket API。
函数名称 ：在socket API中，有一个函数名也叫做socket。
函数调用的端点 ：调用socket函数创建的端点被称为socket（例如，"创建一个数据报socket"）。
返回值 ：调用socket函数时，返回的文件描述符也被称为socket。
系统实现：在操作系统内核中的网络协议实现，尤其是Berkeley实现，也被称为socket实现。

注意事项

概念区分：上述不同层次和场景中的"socket"概念应当加以区分，以避免混淆。特别是与RFC 793中定义的套接字（端口号拼接到IP地址）是不同的。

我的理解：

建立连接：当你拨打电话之前，需要有一个电话号码，这个电话号码就像是网络中的IP地址和端口号组成的套接字。当你拨号时，电话网络会为你和接听人建立一条连接，这个过程就像是TCP三次握手的过程，它确保了你和对方都准备好接收和发送信息。
通信过程：一旦连接建立，你和对方就可以开始通话了。你们可以互相听到对方的声音，确保信息准确无误地传达。在TCP连接中，这对应于数据的传输，TCP保证数据按顺序、完整地到达对方那里，如果有什么错误或丢失，就会要求重新发送，就像如果电话里听到的声音断断续续或不清楚时，你可能会说"你能再说一遍吗？"
结束通话：通话结束时，你会挂断电话，而对方也会挂掉电话，这样电话线路就被释放了。在TCP连接中，这个"挂断"过程对应于四次挥手的过程，它确保双方都同意关闭连接，并且所有的数据都已经传输完毕。

就像一次电话通话从拨号到挂断的全过程，TCP连接保证了数据通信的可靠性。每次通话都是独立的，就像网络中每个TCP连接都是独立的，有自己的起点和终点（套接字）。而多个电话通话可以同时进行，就像一台主机可以同时有多个TCP连接。