【网络协议栈】TCP/IP相关知识点收集

TCP/IP知识点收集

1 TCP分段

在TCP/IP协议栈中，"MSS"（Maximum Segment Size）是一个关键参数，它指定了TCP协议在发送数据时可以使用的最大数据段（segment）的大小。这个参数是TCP连接建立时通过三次握手（three-way handshake）过程中的一个选项来协商的。

MSS的作用

效率：通过选择适当的MSS，TCP可以优化数据传输的效率。过大的MSS可能导致数据包在网络中分片（fragmentation），而过小的MSS则可能增加网络上的包数量，从而增加开销。
避免IP分片：IP层在传输数据包时有一个最大传输单元（MTU）的限制。如果TCP数据段的大小超过MTU，IP层就会对其进行分片。但是，分片会增加数据丢失的风险，并可能降低传输效率。因此，选择一个合适的MSS可以避免或减少IP分片的发生。

MSS的确定

默认值：不同的操作系统和网络环境可能使用不同的MSS默认值。例如，在以太网环境中，常见的MSS默认值为1460字节（基于1500字节的MTU减去IP头部和TCP头部的长度）。
协商：在TCP连接建立时，客户端和服务器会交换一个称为"MSS选项"的TCP选项，以协商使用哪个MSS值。这通常基于各自的网络环境和配置来确定。

MSS与MTU的关系

MSS和MTU之间存在一定的关系。MSS是TCP层可以发送的最大数据段大小，而MTU是IP层可以传输的最大数据包大小。为了确保TCP数据段可以在IP层中无需分片地传输，MSS应该小于或等于MTU减去IP头部和TCP头部的长度。

总结

MSS是TCP协议中一个重要的参数，它指定了TCP数据段的最大大小。通过选择合适的MSS值，TCP可以优化数据传输的效率，并避免或减少IP分片的发生。MSS的确定通常基于网络环境和配置，并在TCP连接建立时通过三次握手过程中的选项来协商。

2 IP分片

TCP/IP分片是在TCP/IP协议栈中，特别是在网络层（IP层）处理数据传输时的一个重要概念。以下是关于TCP/IP分片的详细解释：

定义

TCP/IP分片：当IP数据报的大小超过链路层帧所允许的最大传输单元（MTU）时，网络层（IP层）会将数据报拆分成多个较小的片段（fragments），并在目标主机上进行重新组装的过程。

原因

MTU限制：不同的物理网络会规定链路层数据帧的最大长度，即MTU。当IP数据报加上数据帧头部后长度大于链路MTU时，就需要进行分片。
网络设备限制：某些网络设备可能只能接收和处理较小的数据包，因此需要将较大的数据包进行分片以适应这些设备的限制。

分片过程

检查数据包大小：IP层在发送数据前会检查数据包的大小是否超过MTU。
计算分片：如果需要分片，IP层会计算需要分成的片段数量以及每个片段的大小。
添加分片信息 ：每个分片都会包含一些额外的信息，如标识符（Identification）和片偏移（Fragment Offset），以便在目标主机上进行重新组装。
- 标识符：一个唯一的数值，用于标识属于同一原始数据报的所有分片。
- 片偏移：表示该分片在原始数据报中的位置。
发送分片：每个分片都会作为独立的IP数据报进行发送。

重新组装

在目标主机上，IP层会根据标识符和片偏移信息将所有收到的分片重新组装成原始的IP数据报。然后，该数据报会被传递给传输层（如TCP）进行进一步处理。

注意事项

MTU的发现：为了避免不必要的分片，TCP/IP协议栈通常会使用一种称为"路径MTU发现"（Path MTU Discovery）的机制来动态地确定两个主机之间的MTU。
分片的开销：虽然分片可以确保数据包在网络中的传输，但它也会增加一些额外的开销，如额外的头部信息和处理时间。
分片与分段：需要注意的是，分片是在网络层（IP层）进行的，而分段是在传输层（如TCP层）进行的。TCP层会将应用层的数据分成多个段（segments），而每个段都可能会在网络层被进一步分片。

总结

TCP/IP分片是确保数据包在网络中有效传输的一种重要机制。它允许IP层在必要时将数据包拆分成多个较小的片段，并在目标主机上进行重新组装。通过合理地设置MTU和使用路径MTU发现机制，可以减少不必要的分片并提高数据传输的效率。

3 TCP粘包 Sticky Packet

1. 定义：

TCP粘包（或称为粘包现象）是指在TCP协议中，发送方发送的两个或多个数据包在接收方被接收时，可能会合并成一个数据包的现象。这主要是因为TCP是一个流协议（stream-based protocol），它不会保留数据包之间的边界信息。

2. 产生原因：

TCP为了提高传输效率，可能会在收集到足够多数据后才一起发送。

接收方收到的数据会保存在缓存中，如果应用层提取数据不够快，就会导致缓存中多条数据粘在一起。

3. 处理方式：

关闭Nagle算法（通过TCP_NODELAY选项）。但这样做会降低TCP的传输效率。

在应用层处理粘包问题，如循环处理接收到的数据，或使用特定的数据格式（如添加开始符和结束符）来区分不同的数据包。

UDP与TCP的对比

UDP是一个无连接的、不可靠的传输协议，它发送的每个数据报都被视为独立的单元，因此不存在粘包问题。UDP适用于对实时性要求较高、对数据完整性要求不高的应用场景。

而TCP是一个面向连接的、可靠的传输协议，它通过复杂的控制机制确保了数据的可靠传输，但也因此可能出现粘包现象。TCP适用于需要确保数据完整性和顺序性的应用场景。

总结

在TCP协议中，粘包是一个需要注意的问题，需要在应用层进行适当的处理。而在UDP协议中，由于每个数据报都是独立的，因此不存在粘包问题。选择使用TCP还是UDP取决于具体的应用场景和需求。

4 应答机制

TCP的确认应答机制（ACK）是TCP协议中确保数据可靠传输的关键机制之一。以下是TCP确认应答机制的详细解释：

发送与分割：
- 发送方将要发送的数据分割成称为TCP段（TCP segment）的较小单元，并为每个段分配一个唯一的序列号。
- 序列号是一个32位的字段，用于标识TCP源端设备向目的端设备发送的字节流中的位置。
发送与确认：
- 发送方将这些TCP段发送给接收方，并启动一个定时器来跟踪每个已发送段的确认。
- 接收方收到TCP段后，会按序将它们重新组装成完整的数据流，并发送一个确认（ACK）给发送方。
确认中包含的信息：
- 确认（ACK）中包含接收到的最高序列号，表示该序列号之前的所有数据都已正确接收。
- 当接收方收到一个TCP段后，它不会立即发送一个ACK，而是等待一小段时间（通常称为"延迟ACK"），看看是否还有后续的TCP段可以一并确认，从而提高传输效率。
继续发送与重传：
- 发送方在接收到确认后，会停止相应定时器，并继续发送下一个序列号的TCP段。
- 如果发送方在定时器超时之前未收到确认，它将重新发送未确认的TCP段。
重复确认与快速重传：
- 如果接收方检测到重复的数据段时，会发送一个重复确认（Duplicate ACK）给发送方。
- 如果发送方收到连续的3个重复确认，它会认为该数据段丢失，并立即重新发送该数据段，这被称为"快速重传"。
拥塞控制：
- 如果发送方的数据段未在一定时间内（称为超时时间）内收到确认，它会认为网络发生了拥塞，并减慢发送速率，以减轻网络负载。

通过确认应答机制，TCP可以确保数据的可靠传输，因为发送方和接收方之间会进行双向的确认和重传操作，以确保数据的完整性和正确性。这种机制在TCP协议中起到了至关重要的作用，使得TCP成为了一个广泛应用于各种网络环境中的可靠传输协议。