TCP 協議的作用
以太網協議(Ethernet)規定了電子信號如何組成數據包(packet),解決了子網內部的點對點通信。
但是,以太網協議不能解決多個局域網如何互通,這由 IP 協議解決。
IP 協議定義了一套自己的地址規則,稱為 IP 地址。它實現了路由功能,允許某個局域網的 A 主機,向另一個局域網的 B 主機發送消息。
路由的原理很簡單。市場上所有的路由器,背後都有很多網口,要接入多根網線。路由器內部有一張路由表,規定了 A 段 IP 地址走出口一,B 段地址走出口二,......通過這套"指路牌",實現了數據包的轉發。
IP 協議只是一個地址協議,並不保證數據包的完整。如果路由器丟包(比如緩存滿了,新進來的數據包就會丟失),就需要發現丟了哪一個包,以及如何重新發送這個包。這就要依靠 TCP 協議。
簡單說,TCP 協議的作用是,保證數據通信的完整性和可靠性,防止丟包。
TCP 數據包的大小
以太網數據包(packet)1522字節=1400 字節是負載+以太網22字節是頭信息(head)+ IP 數據包頭信息(head)20字節 + IP 和 TCP 協議額外的頭信息
TCP 數據包的編號(SEQ)
一個包1400字節,那麽一次性發送大量數據,就必須分成多個包
發送的時候,TCP 協議為每個包編號(sequence number,簡稱 SEQ),以便接收的一方按照順序還原。萬一發生丟包,也可以知道丟失的是哪一個包。
第一個包的編號是一個隨機數。為了便於理解,這裏就把它稱為1號包。假定這個包的負載長度是100字節,那麽可以推算出下一個包的編號應該是101。這就是說,每個數據包都可以得到兩個編號:自身的編號,以及下一個包的編號。接收方由此知道,應該按照什麽順序將它們還原成原始文件。
TCP 數據包的組裝
收到 TCP 數據包以後,組裝還原是操作系統完成的。應用程序不會直接處理 TCP 數據包。
對於應用程序來說,不用關心數據通信的細節。除非線路異常,收到的總是完整的數據。應用程序需要的數據放在 TCP 數據包裏面,有自己的格式(比如 HTTP 協議)。
TCP 並沒有提供任何機制,表示原始文件的大小,這由應用層的協議來規定。比如,HTTP 協議就有一個頭信息Content-Length
,表示信息體的大小。對於操作系統來說,就是持續地接收 TCP 數據包,將它們按照順序組裝好,一個包都不少。
操作系統不會去處理 TCP 數據包裏面的數據。一旦組裝好 TCP 數據包,就把它們轉交給應用程序。TCP 數據包裏面有一個端口(port)參數,就是用來指定轉交給監聽該端口的應用程序。
應用程序收到組裝好的原始數據,以瀏覽器為例,就會根據 HTTP 協議的Content-Length
字段正確讀出一段段的數據。這也意味著,一次 TCP 通信可以包括多個 HTTP 通信。、
慢啟動和 ACK(加速和防丟包)
服務器發送數據包,當然越快越好,最好一次性全發出去。但是,發得太快,就有可能丟包。帶寬小、路由器過熱、緩存溢出等許多因素都會導致丟包。線路不好的話,發得越快,丟得越多。
最理想的狀態是,在線路允許的情況下,達到最高速率。但是我們怎麽知道,對方線路的理想速率是多少呢?答案就是慢慢試。
TCP 協議為了做到效率與可靠性的統一,設計了一個慢啟動(slow start)機制。開始的時候,發送得較慢,然後根據丟包的情況,調整速率:如果不丟包,就加快發送速度;如果丟包,就降低發送速度。
Linux 內核裏面設定了(常量TCP_INIT_CWND
),剛開始通信的時候,發送方一次性發送10個數據包,即"發送窗口"的大小為10。然後停下來,等待接收方的確認,再繼續發送。
默認情況下,接收方每收到兩個 TCP 數據包,就要發送一個確認消息。"確認"的英語是 acknowledgement,所以這個確認消息就簡稱 ACK。
ACK 攜帶兩個信息。
- 期待要收到下一個數據包的編號
- 接收方的接收窗口的剩余容量
發送方有了這兩個信息,再加上自己已經發出的數據包的最新編號,就會推測出接收方大概的接收速度,從而降低或增加發送速率。這被稱為"發送窗口",這個窗口的大小是可變的。
註意,由於 TCP 通信是雙向的,所以雙方都需要發送 ACK。兩方的窗口大小,很可能是不一樣的。而且 ACK 只是很簡單的幾個字段,通常與數據合並在一個數據包裏面發送。
即使對於帶寬很大、線路很好的連接,TCP 也總是從10個數據包開始慢慢試,過了一段時間以後,才達到最高的傳輸速率。這就是 TCP 的慢啟動。
數據包的遺失處理
每一個數據包都帶有下一個數據包的編號。如果下一個數據包沒有收到,那麽 ACK 的編號就不會發生變化。
舉例來說,現在收到了4號包,但是沒有收到5號包。ACK 就會記錄,期待收到5號包。過了一段時間,5號包收到了,那麽下一輪 ACK 會更新編號。如果5號包還是沒收到,但是收到了6號包或7號包,那麽 ACK 裏面的編號不會變化,總是顯示5號包。這會導致大量重復內容的 ACK。
如果發送方發現收到三個連續的重復 ACK,或者超時了還沒有收到任何 ACK,就會確認丟包,即5號包遺失了,從而再次發送這個包。通過這種機制,TCP 保證了不會有數據包丟失。
TCP 協議的作用