传输层协议 TCP 三次握手/四次挥手 TIME_WAIT

[一. TCP 协议段格式(说明)](#一. TCP 协议段格式(说明))

1.1图标中各个参数的解释

二.超时重传机制

2.2丢包

[2.3 超时的时间如何确定?](#2.3 超时的时间如何确定?)

[三. 连接管理机制(三次握手/四次挥手)](#三. 连接管理机制(三次握手/四次挥手))

[3.2 服务端解释看右边](#3.2 服务端解释看右边)

[3.3 客户端状态转化](#3.3 客户端状态转化)

[3.4 TIME_WAIT状态](#3.4 TIME_WAIT状态)

[3.4.1 解决 TIME_WAIT 状态引起的 bind 失败的方法](#3.4.1 解决 TIME_WAIT 状态引起的 bind 失败的方法)

[3.5 理解 CLOSE_WAIT 状态](#3.5 理解 CLOSE_WAIT 状态)

[四 . 滑动窗口](#四 . 滑动窗口)

[4.1 为什么需要滑动窗口](#4.1 为什么需要滑动窗口)

[4.2 发送多少数据合适？](#4.2 发送多少数据合适？)

[4.3 滑动窗口如果出现了丢包, 如何进行重传?](#4.3 滑动窗口如果出现了丢包, 如何进行重传?)

[4.3.1 情况一: 数据包已经抵达, ACK 被丢了](#4.3.1 情况一: 数据包已经抵达, ACK 被丢了)

[4.3.2情况二: 数据包就直接丢了.](#4.3.2情况二: 数据包就直接丢了.)

[五. 流量控制(16 位窗口大小字段)](#五. 流量控制(16 位窗口大小字段))

[六. 拥塞控制](#六. 拥塞控制)

七.延迟应答

[八. 捎带应答](#八. 捎带应答)

一. TCP 协议段格式(说明)

1.1图标中各个参数的解释

源/目的端口号: 发送给目的进程不解释
32 位序号/32 位确认号: TCP 将每个字节的数据都进行了编号. 即为序列号。用于对 数据进行确认，超时重传、以及保证数据顺序。
4 位 TCP 报头长度: 表示该 TCP 头部有多少个 32 位 bit(有多少个 4 字节); 所以 TCP 头部最大长度是 15 * 4 = 60
6位标志位：

URG : 紧急指针是否有效
ACK: 确认号是否有效
PSH : 提示接收端应用程序立刻从TCP缓冲区把数据读走
RST : 对方要求重新建立连接；我们把携带RST标识的称为复位报文段
SYN: 请求建立连接；我们把携带SYN标识的称为同步报文段
FIN: 通知对方，本端要关闭了，我们称携带FIN标识的为结束报文段

16 位窗口大小 : 用于 拥塞控制、流量控制等模块
16 位校验和 : 发送端填充, CRC 校验.接收端校验不通过, 则认为数据有问题. 这里的检验和 不光包含 TCP 首部, 也包含 TCP 数据部分.
16 位紧急指针: 标识哪部分数据是紧急数据;
40 字节头部选项

二.超时重传机制

2.2丢包

丢包两种可能

1. A to B 丢包了 2. B to A ack丢包

因此 主机 B 可能会收到很多重复数据. 那么 TCP 协议需要能够识别出那重复的包, 并且把重复的丢弃掉。这时候我们可以 利用序列号 , 做到去重的效果

2.3 超时的时间如何确定?

问题：

这个时间的长短, 随着网络环境的不同, 是有差异的.

如果超时时间设的太长, 会影响整体的重传效率

如果超时时间设的太短, 有可能会频繁发送重复的包

所以：TCP 为了保证无论在任何环境下都能比较高性能的通信, 因此 会动态计算这个最大超时时间.

解决：

Linux 中(BSD Unix 和 Windows 也是如此), 超时以 500ms 为一个单位进行控制 , 每次判定超时重发的超时时间都是 500ms 的整数倍（以指数形式递增）

累计到一定的重传次数, TCP 认为网络或者对端主机出现异常, 强制关闭连接

三. 连接管理机制(三次握手/四次挥手)

在正常情况下, TCP 要经过三次握手建立连接, 四次挥手断开连接

3.2 服务端解释看右边

握手过程服务端：

1、2 [LISTEN -> SYN_RCVD] 一旦服务端 监听到连接请求SYN (同步报文段), 就将该连接放入内核等待队列 中, 并向客户端 发送 SYN + ACK 报文。

3 [SYN_RCVD->ESTABLISHED] 服务端 一旦 收到客户端 的 ACK报文，服务端 就会进入ESTABLISHED状态，可以进行读写数据了

挥手过程服务端：

1、2. [ESTABLISHED->CLOSE_WAIT]当 客户端主动关闭连接 (调用close)，服务器会收到结束报文段 ，服务器 返回确认报文段并 进入CLOSE_WAIT ；

3. [CLOSE_WAIT->LAST_ACK] 进入CLOSE_WAIT 后说明服务器准备关闭连接（需要处理完之前的数据） ；当服务器 真正调用close关闭连接时，会向客户端发送FIN ，此时服务器进入LAST_ACK 状态，等待最后一个ACK到来 （这个ACK是客户端确认收到了FIN）

4. [LAST_ACK->CLOSED] 服务器收到了对FIN的ACK，彻底关闭连接

3.3 客户端状态转化

握手过程：

$CLOSED-\>SYN_SENT\] 客户端 **调用connect, 发送SYN** 同步报文段； \[SYN_SENT-\>ESTABLISHED\] **connect 调用成功**，则进入ESTABLISHED状态，开始读写数据；$

挥手过程：

$ESTABLISHED-\>FIN_WAIT_1\]客户端 **主动调用close** 时，向服务器发**送结束报FIN** 文段，同时进入**FIN_WAIT_1** ; \[FIN_WAIT_1-\>FIN_WAIT_2\]客户端**收到** 服务器对结束报文段的**确认ACK** ，则进入**FIN_WAIT_2** ，开始**等待服务器的结束报文段FIN** ； \[FIN_WAIT_2-\>TIME_WAIT\]客户端**收到** 服务器发来的**结束报文段FIN** ，进入**TIME_WAIT** ，并发出 **LAST_ACK** ; \[TIME_WAIT-\>CLOSED\]客户端要**等待一个2MSL** (Max SegmentLife，报文最大生存时间）的时间，才会**进入CLOSED状态.**$

3.4 TIME_WAIT状态

TCP 协议规定, 主动关闭连接的一方 要处于 TIME_ WAIT 状态 ,等待两个MSL (maximum segment lifetime)的时间后才能回到 CLOSED 状态.

一个测试：首先启动 server,然后启动 client,然后用 Ctrl-C 使 server 终止,这时马上再运行 server, 结果是:

bash 复制代码

$./server
bind error: Address already in use

这就是因为TCP 协议层的连接 并 **没有完全断开CLOSE,**因此不能再次监

TIME_WAIT 的时间是 2MSL , 他能 保证在两个传输方向 上的尚未被接收或迟到的报文段 都已经消失。

3.4.1 解决 TIME_WAIT 状态引起的 bind 失败的方法

使用 SO_REUSEADDR 套接字选项 demo

cpp 复制代码

 //demo
    int server_fd;
    int opt = 1; // 启用选项

    // 创建套接字
    if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
        perror("socket failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 设置 SO_REUSEADDR 选项
    if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt))) {
        perror("setsockopt SO_REUSEADDR failed");
        close(server_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

3.5 理解 CLOSE_WAIT 状态

假如我们最后没有 close 断开的fd ，然后关闭客户端程序, 观察 TCP 状态会发生什么？看如下代码以及解析：

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

#define PORT 8080

int main() {
    int server_fd, client_sock;
    struct sockaddr_in addr;
    
    // 创建服务器socket
    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    addr.sin_port = htons(PORT);
    
    bind(server_fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
    listen(server_fd, 5);
    
    printf("服务器启动，等待连接...\n");
    
    while (1) {
        client_sock = accept(server_fd, NULL, NULL);
        printf("客户端连接成功\n");
        
        // 模拟处理请求
        char buffer[100];
        recv(client_sock, buffer, 100, 0);
        send(client_sock, "Hello", 5, 0);
        
        // BUG: 故意不close，会产生CLOSE_WAIT
        // close(client_sock); // 把这行注释掉就会产生CLOSE_WAIT
    }
    
    close(server_fd);
    return 0;
}

就会发生 CLOSE_WAIT 状态

服务器进入了 CLOSE_WAIT 状态, 结合我们四次挥手的流程图, 可以认为四次挥手没有正确完成.

小结:对于 服务器上出现大量的 CLOSE_WAIT 状态, 原因就是 服务器没有正确的关闭socket ! ! !, 导致四次挥手没有正确完成 . 这是一个 BUG. 只需要加上对应的 close 即可解决问题

四 . 滑动窗口

4.1 为什么需要滑动窗口

上面说：对每一个发送的数据段, 都要给一个 ACK 确认应答。一发一收的方式性能较低, 那么我们一次发送多条数据, 就可以大大的提高性能(其实是将多个段的等待时间重叠在一起了)

这样就出现了一个问题？

4.2 发送多少数据合适？

这时候就需要协议里面的窗口大小。

窗口大小指的是 无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值. 上图的窗口大小就是 4000 个字节(四个段). 发送前四个段的时候, 不需要等待任何 ACK, 直接发送;

收到第一个 ACK 后, 滑动窗口向后移动, 继续发送第五个段的数据;

操作系统内核为了 维护滑动窗口 , 需要开辟发送缓冲区来记录当前还有哪些数据没有应答; 只有确认应答过的数据, 才能从缓冲区删掉

4.3 滑动窗口如果出现了丢包, 如何进行重传?

4.3.1 情况一: 数据包已经抵达, ACK 被丢了

这种情况下, 前面部分 ACK 丢了并不要紧, 因为可以通过后续的 ACK 进行确认，因为有 32位序列号的发送确认（只有收到了序号，才会发送下一个确认序号），所以只要得到后面的ACK 就能确认前面的 ACK了

4.3.2情况二: 数据包就直接丢了

当1001 - 2000 报文段丢失之后, 发送端会一直收到 1001 这样的 ACK , 就算收到了其他数据（比如 2001 - 3000， 3001-4000）这样的数据，他还是会发送确认序列1001 的ACK 报文，这是因为TCP采用累积确认机制，接收方无法确认序列号不连续的数据。它通过重复发送ACK=1001来向发送方报告数据缺口。
如果 发送端主机连续三次收到了同样一个 "1001" 这样的应答, 就会将对应的数据 1001 - 2000 重新发送;
这个时候接收端收到了 1001 之后, 再次返回的 ACK 就是 7001(因为 2001 - 7000)接收端其实之前就已经收到了, 被放到了接收端操作系统内核的接收缓冲区中

这种机制被称为 "高速重发控制"(也叫 "快重传")

五. 流量控制(16 位窗口大小字段)

接收端处理数据的速度是有限的，如果发送端发的太快，导致接收端的缓冲区被打满，这

个时候如果发送端继续发送，就会造成丢包，继而引起丢包重传等等一系列连锁反应。

因此TCP支持根据接收端的处理能力 ，来 决定发送端的发送速度 .这个机制就叫做流量控

接收端将自己可以 ++将接收的缓冲区大小放入 TCP 首部中的 "窗口大小" 字段++, 通过 ACK 端通知发送端;

接收端一旦发现 自己的缓冲区快满了, 就会将窗口大小设置得更小去发送给发送端;

如果 接收端缓冲区满了, 就会将窗口置为 0; 这时发送方不再发送数据, 但是 需要定期发送一个窗口探测数据段, 使接收端把窗口大小告诉发送端

补充： 16 位数字最大表示 65535, 那么 TCP 窗口最大就是 65535 字节么? 实际上, TCP 首部 40 字节选项中还包含了一个窗口扩大因子 M, 实际窗口大小是窗口字段的值左移 M 位

六. 拥塞控制

虽然 TCP 有了滑动窗口, 能够高效可靠的发送大量的数据. 但是 如果在刚开始阶段就发送大量的数据, 仍然可能引发问题 .
可能当前的网络状态就已经比较拥堵. 在不清楚当前网络状态下, 贸然发送大量的数据,就可能会让网络更加拥堵。

因此：++TCP 引入慢启动机制,++ 先发少量的数据, 探探路, 摸清当前的网络拥堵状态, 再决定按照多大的速度传输数据;

注意： ++"慢启动" 只是指初使时慢, 但是增长速度非常快++

如图：在每次超时重发的时候, 慢启动阈值会变成原来的一半, 同时拥塞窗口置回 1; 少量的丢包, 我们仅仅是触发超时重传; 大量的丢包, 我们就认为网络拥塞。

总结：拥塞控制, 归根结底是 TCP 协议想尽快的把数据传输给对方, 但是又要避免给网络造成太大压力的 **++折中++**方案

七.延迟应答

如果你发送了消息，服务端没立刻给你返回窗口大小ACK ，就说明你还可以发送更多的消息，剩余窗口大小还有很多，可以发送更多消息。

如果接收数据的主机立刻返回 ACK 应答 , 这时候返回的窗口可能比较小

八. 捎带应答

ACK 就可以搭顺风车, 和服务器的 SYN、ACK 一起回给客户端，或者消息 + ACK 一起发送给客户端

补充：

基于 TCP 应用层协议

HTTP

HTTPS

SSH

Telnet

FTP

SMTP

当然, 也包括你自己写 TCP 程序时自定义的应用层协议;