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TCP协议

c#学习笔记之委托

TCP详解

1、媒介

传输掌握协定(Transmission Control Protocol,TCP)是一种面向衔接的、牢靠的、基于字撙节的传输层通讯协定,由IETF的RFC 793定义。

2、TCP详解

2.1TCP报文头部

 

泉源衔接端口(16bit)目的衔接端口(16bit):盘算机上的历程要和其他历程通讯是要经由历程盘算机端口的,而一个盘算机端口某个时刻只能被一个历程占用,所以经由历程指定源端口和目的端口,就可以晓得是哪两个历程须要通讯。源端口、目的端口是用16位示意的,可推算盘算机的端口个数为2^16个

序列号码(seq,32bit)

假如含有同步化旗标(SYN),则此为最初序列号;第一个数据比特的序列号为本序列加1。

假如没有同步化旗标(SYN),则此为第一个数据比特的序列码。

确认号码(ack,32bit):希冀收到的数据的入手下手序列号,也即是吸收端收到的数据的字节长度加1。

数据偏移(4bit):示意TCP报文段的首部长度,共4位,由于TCP首部包括一个长度可变的选项部份,须要指定这个TCP报文段究竟有多长。它指出TCP报文段的数据肇端处距离TCP报文段的肇端处有多远。该字段的单元是32位(即4个字节为盘算单元),4位二进制最大示意15,所以数据偏移也就是TCP首部最大60字节。

保留(3bit):置0

NS(ECN-nonce,ECN显式堵塞关照(Explicit Congestion Notification)):是对TCP的扩展,定义于第5节;ECN许可堵塞掌握的端对端关照而防备丢包。ECN为一项可选功用,假如底层收集设备支撑,则大概被启用ECN的两个端点运用。当有序数据包抵达时,ECN-nonce吸收器会保护随机数的和,并在每一个确认中返回当前的随机数的和。在标记分组的状态下,吸收机大概不晓得一个或多个随机数值,在这类状态下,当盘算总和时,吸收端将疏忽丧失的随机数值,并将ECN-Echo置位向发送端发出壅塞信号。

CWR(Congestion Window Reduced,削减堵塞窗口):当具有ECN功用的TCP发送方处于某种缘由(由于重传超时、疾速重传或响应ECN关照)削减其堵塞窗口时,TCP发送方会在第一个新数据的TCP头部中设置CWR标识后,削减其随后发送的报文。假如该报文在收集中被抛弃,则发送方的TCP将不得不再次削减堵塞窗口,并从新发送抛弃的数据包。

ECE(ECN-Echo):发送端在吸收到ECE置位的TCP包时,发送端会将CWR举行置位,以确认吸收到ECN-echo标识并对其做出回响反映。

(注:

在两头协商竖立ECN关联时,发送方A将CWR与ECE同时置位,构成ECN SYN包并发送给吸收方B;吸收方B在吸收到ECN SYN包时,只将ECE位置位,CWR不置位,构成ECN SYN-Ack包发送给发送方A。

在发作堵塞时,吸收端B在吸收到一组TCP包,盘算ECN-nonce吸收器中随机数总和,并与确认包中的随机数总和举行比较,假如两个数值不一样,则发送端A端推断发作堵塞,会将发送给发送端的第一个TCP包中ECE举行置位;在发送端A吸收到这个ECE位被置位的数据包以后,它会将CWR举行置位,并发送给你吸收端B;在吸收端B吸收到一个CWR置位的数据包,它会削减向发送端A的数据包发送。)

USG:标识紧要指针是不是有用

ACK:标识确认序号是不是有用

PSH:用来标识吸收端运用程序马上将数据从TCP缓冲区读取

RST:要求从新竖立衔接,我们把另有RST标识的报文称为复位报文段

SYN:发出竖立衔接,我们把另有SYN标识的报文称为同步报文段

FIN:关照对端,本段行将封闭,我们把含有FIN标识的报文称为终了报文段

窗口大小:占用16bit,示意从确认号入手下手,本报文的发送方可以吸收的字数,即吸收窗口大小,用于流量掌握。窗口大小为滑动盘算,由Window size value * Window size scaling factor(此值在三次握手阶段TCP选项Windowscale协商获得)得出此值。

校验和:占用16bit,由发送端添补,磨练情势有CRC校验等,假如吸收端校验不经由历程,则以为数据有问题,此处的校验和不光包括TCP首部,也包括TCP数据部份,以16位字举行盘算所得,这是一个强迫字段。

紧要指针:占用16bit,用来标识数据哪一个部份有问题,只在USG位被置位时运用。

选项:最多40字节。每一个选项的入手下手时1字节的kind字段,申明选项的范例

0:选项表终了(1字节)

1:无操纵(1字节),用于选项字段之间的字边境对齐

2:最大报文长度(4字节,Maximum Segment Size,MSS)平常在建立衔接而设置SYN标识的数据包中指明这个选项,指明本段所能接收的最大的报文段。平常将MSS设置为(MTU-40)字节,照顾TCP报文段的IP数据包的长度就不会凌驾MTU(MTU最大长度为1518字节,最短位为64字节),从而防备本机发作IP分片,只能出如今同步报文段中,不然将被疏忽。

MTU和MSS值的关联:MTU=MSS+IP Header+TCP Header

通讯两边终究的MSS值=较小MTU-IP Header-TCP Header

3:窗口扩展因子(4字节,wscale),取值0-14.用来把TCP的窗口的值左移的位数,使窗口值乘倍。只能出如今同步报文段中,不然将被疏忽。这是由于如今的TCP吸收数据缓冲区(吸收窗口)的长度平常大于65535字节。

4:sackOK,发送端支撑并赞同运用SACK选项

5:SACK实际工作的选项

6:时刻戳(10字节,TCP Timestamps Option,TSopt)

发送端的时刻戳(Timestamp Value field,TSval,4字节)

时刻戳回显应对(Timestamp Echo Reply field,TSecr,4字节)

 

2、衔接受理机制

平常状态下,TCP须要经由三次握手竖立衔接,四次挥手端口衔接。

2.1TCP竖立衔接

三次握手历程,以下图:

 

细致经由:

刚入手下手,客户端与效劳器都处于CLOSED状态;此时,客户端向效劳器主动发出衔接,效劳器被动吸收衔接:

1)TCP效劳器历程先建立传输掌握模块TCB,时刻预备吸收客户端历程的衔接,此时效劳器就进入了LISTEN(监听)状态

2)TCP客户端历程也是先建立传输掌握模块TCB,然后向效劳器发出衔接报文,此时报文首部中的同步示意位SYN=1,同时挑选一个初始序列号seq=x,此时,TCP客户端历程进入SYN-SENT(同步已发送)状态。TCP划定,SYN报文段(SYN=1的报文段)不能照顾数据,但须要斲丧掉一个序号。

3)TCP效劳器收到衔接报文后,假如赞同衔接,则发出确认报文。确认报文中的ACK=1,SYN=1,确认序号是x+1,同时挑选一个初始序列号seq=x,此时,TCP效劳器历程进入SYN-RCVD(同步收到)状态。这个报文也不能照顾数据,但一样要斲丧一个序号。

4)在TCP客户端历程收到确认包后,还要向效劳器给出确认收到SYN-ACK的确认包。确认报文的AC=1,确认序列号=y+1,本身的序列号=x+1。

5)此时,TCP衔接竖立,客户端进入ESTABLISHED(已竖立衔接)状态。当效劳器收到客户端的确认后也进去ESTABLISHED状态,今后两边就可以举行数据传输。

 

问题一:为何不必两次握手,竖立衔接?

答:设想一下,假如我们去掉第三次握手?由于我们不举行第三次握手,所以在效劳端对客户端举行回应(第二次握手)后,就会天经地义的以为衔接已竖立,而假如客户端没有收到效劳端的此次回应,那末,客户端会以为衔接没有竖立,然则效劳端会对之前的衔接保留肯定的体系资本,假如涌现大批的状态,那末效劳端就会由于体系资本耗尽,而致使会崩溃。

 

问题二:为何不是四次?

答:由于在TCP经由历程三次握手后,客户端和效劳端起码可以确认之前的状态,然则没法肯定以后的状态,基于此理论,不管4次照样5次都是没法肯定的该报是不是已收到,所以即使再多的握手包也都是白费的。

 

2.2TCP断开衔接

四次挥手历程,以下图:

形式一:

 

 

细致历程:

数据传输终了后,两边都可以开释衔接,此时客户端和效劳器都处于ESTABLISHED状态,然后客户端主动断开衔接,效劳器被动断开衔接。

1)客户端历程发出开释衔接报文,而且住手发送数据。开释数据报文首部,FIN=1,其序列号seq=u(即是前面已传送过来的数据的末了一个字节的序号加1),此时客户端进入FIN-WAIT-1(停止守候1)状态。TCP划定,FIN报文段计是不照顾数据,也要斲丧一个序号。

2)效劳器收到开释衔接报文,发出确认报文,ACK=1,ack=u+1,并带上本身的序号seq=v,此时,效劳端进入CLOSE-WAIT(封闭守候)状态。TCP效劳器关照高层的运用历程,客户端向效劳器的方向就开释了,这时刻处于半封闭状态,即客户端已没有数据要发送,然则效劳器若发送数据,客户端依旧要吸收。这个状态还要延续一段时刻,也就是悉数CLOSE-WAIT状态延续的时刻。

3)客户端收到效劳器的确认断开衔接后,此时客户端就进入FIN-WAIT-2(停止守候2)状态,守候效劳器发送衔接开释报文(在这之前还需接收效劳器发送的最好的数据报文)。

4)效劳器将末了的数据发送终了后,就向客户端发送衔接开释报文,FIN=1,ack=u+1,由于在半封闭状态,效劳器极大概又发送了一些数据,假定此时的序列号位seq=w,此时,效劳器就进入LAST-ACK(末了确认),守候客户端的确认。

5)客户端收到效劳器的衔接开释报文后,必需发出确认,ACK=1,ack=w+1,而本身的序列号是seq=u+1,此时,客户端就进入了TIME-WAIT(时刻守候)状态。注重此时TCP还没有开释,必需经由2*MSL(最长报文段寿命)的时刻后,当客户端打消响应的TCB后,才进入CLOSED状态。

6)效劳器只需收到了客户端发出的确认,马上进入CLOSED状态,同时,打消历程发生的TCB,这就终了了此次TCP的衔接。效劳端会比客户端提早终了此次TCP衔接。

 

形式二

 

数据传输终了后,两边都可以开释衔接,此时客户端和效劳器都处于ESTABLISHED状态,然后两边都主动断开。

1)两头同时向对端传送开释衔接报文,并住手发送数据。开释数据报文首部,FIN=1,ACK=1,序列号分seq别是c与s,此时两头同时进入FIN-WAIT-1(莳植守候1)状态。

2)在两头离别收到了对端发送本身的开释衔接报文后,并发出确认报文。确认数据报文首部,ACK=1,ack离别时s+1和c+1,并携离别带本身的本身的序列号seq是c+1和s+1,而且本身的状态转换为CLOSING(两边同时尝试封闭,守候确认)状态。

3)在两头收到对端的确认报文以后,状态从CLOSING(两边同时尝试封闭,守候确认)状态,转变为TIME-WAIT(时刻守候)状态,此时须要经由2*MSL(最长报文段寿命)的使时刻后,两边离别打消了响应的TCB后,两边才会进入CLOSED状态。

 

3、有限TCP状态机

TCP协定的操纵可以运用11钟状态的有限状态机。

CLOSED:封闭状态,没有链接运动或正在举行

LISTEN:监听状态,效劳器正在守候衔接进入

SYN_SENT:已发出链接报文,守候确认。

SYN_RCVD:收到一个链接报文,并已发出确认链接报文,还没有确认对方是不是已收到。

ESTABLISHED:链接竖立,平常数据传输状态。

FIN_WAIT_1:(主动封闭)已发送封闭衔接报文,守候确认

FIN_WAIT_2:(主动封闭)收到对方封闭确认,比及对方封闭衔接报文

TIMED_WAIT:完成双向封闭,守候2*MSL(最长报文时刻)

CLOSING:在发出FIN后,又收到对方发送给的FIN后,进入守候对方对己方的衔接停止(FIN)的确认(ACK)的状态。

CLOSE_WAIT:(被动封闭)收到对方封闭要求,已确认

LAST_ACK:(被动封闭)守候末了一个封闭确认,并守候一切分组死掉

 

4、客户端得典范状态转移

1、客户端经由历程connect体系挪用主动与效劳器竖立衔接connect体系挪用起首给效劳器发送一个同步报文段,使衔接转移到SYN_SENT状态

今后connect体系挪用大概由于以下两个缘由失利返回:

1)假如connect衔接的目的端口不存在(未被任何历程监听),或许该端口仍被处于TIME_WAIT状态的衔接所占用,则效劳器将给客户端发送一个复位报文段,connect挪用失利。

2)假如目的端口存在,但connect在超时时刻内未收到效劳器的确认报文段,则connect挪用失利。

2、connect挪用失利将使衔接马上返回到初始的CLOSED状态。假如客户端胜利收到效劳器的同步报文段和确认,则connect挪用胜利返回,衔接转移至ESTABLISHED状态。

3、当客户端实行主动封闭时,它将向效劳器发送一个终了报文段,同时衔接进入FIN_WAIT_1状态。若此时客户端收到效劳器特地用于确认目的的确认报文段,则衔接转移至FIN_WAIT_2状态。当客户端处于FIN_WAIT_2状态时,效劳器处于CLOSE_WAIT状态,这一对状态是大概发作半封闭的状态。此时假如效劳器也封闭衔接(发送终了报文段),则客户端将赋予确认并进入TIME_WAIT状态

4、客户端从FIN_WAIT_1状态大概直接进入TIME_WAIT状态(不经由FIN_WAIT_2状态),条件是处于FIN_WAIT_1状态的效劳器直吸收到带确认信息的终了报文段(而不是先收到确认报文段,再收到终了报文段)。

5、处于FIN_WAIT_2状态的客户端须要守候效劳器发送终了报文段,才转移至TIME_WAIT状态,不然它将一向停留在这个状态。假如不是为了在半封闭状态下继承吸收数据,衔接长时刻地停留在FIN_WAIT_2状态并没有好处。衔接停留在FIN_WAIT_2状态的状态大概发作在:客户端实行半封闭后,未等效劳器封闭衔接就强行退出了。此时客户端衔接由内核来接受,可称之为孤儿衔接(和孤儿历程相似)

 

5、TCP重传超时

1)非常收集状态下(入手下手涌现超时或丢包),TCP掌握数据传输以保证其许诺的牢靠效劳;

2)TCP效劳必需可以重传超时时刻内未收到确认的TCP报文段。为此,TCP模块为每一个TCP报文段都保护一个重传定时器,该定时器在TCP报文段第一次被发送时启动。假如超时时刻内未收到吸收方的应对,TCP模块将重传TCP报文段并重置定时器。至于下次重传的超时时刻怎样挑选,以及最多实行若干次重传,就是TCP的重传战略;

3)与TCP超时重传相干的两个内核参数:

/proc/sys/net/ipv4/tcp_retries1,指定在底层IP接受之前TCP起码实行的重传次数,默许值是3

/proc/sys/net/ipv4/tcp_retries2,指定衔接摒弃前TCP最多可以实行的重传次数,默许值15(平常对应13~30min)

 

6、堵塞掌握

1)收集中的带宽、交流结点中的缓存和处理机等,都是收集的资本。在某段时刻,若对收集中某一资本的需求凌驾了该资本所能供应的可蒙受的才能,收集的机能就会变坏。此状态称为堵塞。

2)TCP为进步收集利用率,下降丢包率,并保证收集资本对每条数据流的公平性。即所谓的堵塞掌握。

3)TCP堵塞掌握的规范文档是RFC 5681,个中细致引见了堵塞掌握的四个部份:慢启动(slow start)、堵塞防备(congestion avoidance)、疾速重传(fast retransmit)和疾速恢复(fast recovery)。堵塞掌握算法在Linux下有多种完成,比方reno算法、vegas算法和cubic算法等。它们或许部份或许悉数完成了上述四个部份。

4)当前所运用的堵塞掌握算法

/proc/sys/net/ipv4/tcp_congestion_control

 

7、KeepAlive包

TCP的KeepAlive是侧重于坚持客户端和效劳器的衔接,一方会按期发送心跳包给另一方,当一方断掉的时刻,没有断掉的定时发送几个心跳包,假如距离发送频频,对方都返回的RST,而不是ACK,那末就开释当前衔接。设想一下,假如TCP层没有keepAlive的机制,当一方断开衔接却没有发送FIN给别的一方,那末别的一方会以为这个衔接照样存在的,,相似的衔接一多,时刻一长,那末这对效劳器资本是一种很大的影响。

7.2 为何要有keepAlive?

起首明白,在TCP是没有“要求”一说。TCP是一种通讯的体式格局,“要求”一词是事件上的观点。在TCP衔接竖立以后,假如运用程序或许承载在TCP上面的协定一向不发送数据,或许隔很长时刻才发送一次数据,当链接良久没有数据报文传输时,怎样肯定对方还在线?对方究竟掉线了照样没有数据传输,链接还需不须要坚持?这类状态在TCP协定设想中时须要斟酌的。

TCP协定经由历程一种奇妙的体式格局去处理这个问题,当没有传输数据,超时一段时刻后,TCP自动发送一个数据为全0的1字节的报文,假如对方回应了这个报文,申明对方在线,TCP链接就可以继承坚持,假如对方没有报文回应,而且重试了屡次以后,则本端以为链接丧失,没有必要继承坚持链接。

7.3 怎样开启KeepAlive?

在Linux上,默许不开启KeepAlive,而且没有一个全局的选项去开启TCP的KeepAlive。须要开启KeepAlive的运用必需在TCP的socket中零丁开启。Linux Kernel有三个选项影响到KeepAlive的行动:

在/proc/sys/net/ipv4/目录下:

tcp_keepalive_time 7200 #距离上次传送数若干时刻未收到新报文推断为入手下手检测,单元秒,默许7200s

tcp_keepalive_intvl 75 #检测入手下手多长时刻发送心跳包,单元秒,默许75s

tcp_keepalive_probes 9 #发送频频心跳包对方没有回应则close链接,默许9次

TCP socket也有三个选项和内核对应,经由历程setsockopt体系挪用针对零丁的socket举行设置

TCPKEEPCNT:掩盖tcp_keepalive_probes

TCPKEEPDLE:掩盖tcp_keepalive_time

TCPKEEPTVL:掩盖tcp_keepalive_intvl

举个例子,假如我的体系默许keepalive设置,假如我在运用程序中针对socket开启了keepalive,然后设置的TCP_KEEPIDLE为60,那末TCP协定栈在发明TCP链接余暇了60s没有传输数据,那末体系就会发送第一个KeepAlive探测报文。

7.4 KeepAlive的不足

KeepAlive只能检测链接是不是存活,不能检测链接是不是可用。比方,某一方发作了死锁,没法在链接上举行任何读写操纵,然则操纵体系依然可以响应收集的KeepAlive的探测包。

TCP KeepAlive机制依赖于操纵体系的完成,灵活性不足,而且默许封闭。且默许的KeepAlive心跳时刻是2个小时,时刻较长。而且,代办或许负载平衡,会让TCP KeepAlive失效。

 

8、基础TCP调优参数

1)Linux为了防备孤儿衔接长时刻存留在内核中,定义了两个内核参数:

/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_orphans 指定内核能接受的孤儿衔接数目

/proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout 指定孤儿衔接在内核中生存的时刻

 2)Linux为了保证tcp衔接得肯定数目,定义了两个内核参数:

/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog 未完成衔接行列大小,发起调解大小为1024以上

/proc/sys/net/core/somaxconn 完成衔接行列大小,发起调解大小为1024以上

 

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