网络协议百科全书：28张图带你搞懂TCP

大家好，我的网工朋友。

不仅仅是网工，只要你是做IT相关的工作，肯定都离不开网络。

那网络中最重要的协议，大概非TCP莫属，谁去面试没被问过网络协议的相关问题？

谁没买过那本最经典的《TCP/IP详解》 。

不得不说，既要看枯燥的讲解，还要理解，还要和工作结合，运用掌握……真没这么简单。

而且不学也不行，在实际的网络工作中，网络协议是永远绕不开的命题。

我研究了一周RFC中与TCP相关的文档，还有linux中TCP相关的源码，甚至看了不少框架中的TCP相关的代码……

全部吃透以后，回过神来，吃透TCP也并非难事嘛。

今天就花上一点时间，给你输出一篇网络协议百科全书，28张图带你搞懂TCP

今日文章阅读福利：《 TCP协议详解及实战解析》

私信我，发送暗号“TCP”，即可获取完整实战解析资源。

同时，我会把老网工常看的TCP/IP经典入门书籍《TCP/IP详解卷一：协议》发送给你，以作参考。

01 网络分层结构

考虑最简单的情况：两台主机之间的通信。

这个时候只需要一条网线把两者连起来，规定好彼此的硬件接口，如都用USB、电压10v、频率2.4GHz等，这一层就是物理层，这些规定就是物理层协议。

我们当然不满足于只有两台电脑连接，因此我们可以使用交换机把多个电脑连接起来，如下图：

这样连接起来的网络，称为局域网，也可以称为以太网（以太网是局域网的一种）。

在这个网络中，我们需要标识每个机器，这样才可以指定要和哪个机器通信。

这个标识就是硬件地址MAC。硬件地址随机器的生产就被确定，永久性唯一。

在局域网中，我们需要和另外的机器通信时，只需要知道他的硬件地址，交换机就会把我们的消息发送到对应的机器。

这里我们可以不管底层的网线接口如何发送，把物理层抽离，在这之上创建一个新的层次，这就是数据链路层。

我们依然不满足于局域网的规模，需要把所有的局域网联系起来，这个时候就需要用路由器来连接两个局域网：

但是如果我们还是使用硬件地址来作为通信对象的唯一标识，那么当网络规模越来越大，需要记住所有机器的硬件地址是不现实的；

同时，一个网络对象可能会频繁更换设备，这个时候硬件地址表维护起来更加复杂。

这里使用了一个新的地址来标记一个网络对象：IP地址。

通过一个简单的寄信例子来理解IP地址。

我住在北京市，我朋友A住在上海市，我要给朋友A写信：

写完信，我会在信上写好我朋友A的地址，并放到北京市邮局（给信息附加目标IP地址，并发送给路由器）；
邮局会帮我把信运输到上海市当地邮局（信息会经过路由传递到目标IP局域网的路由器）；
上海市当地路由器会帮我把信交给朋友A（局域网内通信）。

因此，这里IP地址就是一个网络接入地址（朋友A的住址），我只需要知道目标IP地址，路由器就可以把消息给我带到。

在局域网中，就可以动态维护一个MAC地址与IP地址的映射关系，根据目的IP地址就可以寻找到机器的MAC地址进行发送。

这样我们不需管理底层如何去选择机器，我们只需要知道IP地址，就可以和我们的目标进行通信。

这一层就是网络层。

网络层的核心作用就是提供主机之间的逻辑通信。

这样，在网络中的所有主机，在逻辑上都连接起来了，上层只需要提供目标IP地址和数据，网络层就可以把消息发送到对应的主机。

一个主机有多个进程，进程之间进行不同的网络通信，如边和朋友开黑边和女朋友聊微信。

我的手机同时和两个不同机器进行通信。那么当我的手机收到数据时，如何区分是微信的数据，还是王者的数据？

那么就必须在网络层之上再添加一层——运输层：

运输层通过socket（套接字），将网络信息进行进一步的拆分，不同的应用进程可以独立进行网络请求，互不干扰。

这就是运输层的最本质特点：提供进程之间的逻辑通信。

这里的进程可以是主机之间，也可以是同个主机，所以在android中，socket通信也是进程通信的一种方式。

现在不同的机器上的应用进程之间可以独立通信了，那么我们就可以在计算机网络上开发出形形式式的应用：如web网页的http，文件传输ftp等等。这一层称为应用层。

应用层还可以进一步拆分出表示层、会话层，但他们的本质特点都没有改变：完成具体的业务需求。

和下面的四层相比，他们并不是必须的，可以归属到应用层中。

最后对计网分层进行小结：

最底层物理层，负责两个机器之间通过硬件的直接通信；
数据链路层使用硬件地址在局域网中进行寻址，实现局域网通信；
网络层通过抽象IP地址实现主机之间的逻辑通信；
运输层在网络层的基础上，对数据进行拆分，实现应用进程的独立网络通信；
应用层在运输层的基础上，根据具体的需求开发形形式式的功能。

这里需要注意的是，分层并不是在物理上的分层，而是逻辑上的分层。

通过对底层逻辑的封装，使得上层的开发可以直接依赖底层的功能而无需理会具体的实现，简便了开发。

这种分层的思路，也就是责任链设计模式，通过层层封装，把不同的职责独立起来，更加方便开发、维护等等。

okHttp中的拦截器设计模式，也是这种责任链模式。

02 浅谈一波运输层

本文主要是讲解TCP，这里需要增加一些运输层的知识。

01 本质：提供进程通信

在运输层之下的网络层，是不知道该数据包属于哪个进程，他只负责数据包的接收与发送。

运输层则负责接收不同进程的数据交给网络层，同时把网络层的数据拆分交给不同的进程。

从上往下汇聚到网络层，称为多路复用，从下往上拆分，称为多路拆分。

运输层的表现，受网络层的限制。这很好理解，网络层是运输层的底层支持。

所以运输层是无法决定自己带宽、时延等的上限。但可以基于网络层开发更多的特性：如可靠传输。

网络层只负责尽力把数据包从一端发送到另一端，而不保证数据可以到达且完整。

02 底层实现：socket

前面讲到，最简单的运输层协议，就是提供进程之间的独立通信，但底层的实现，是socket之间的独立通信。

在网络层中，IP地址是一个主机逻辑地址，而在运输层中，socket是一个进程的逻辑地址；当然，一个进程可以拥有多个socket。

应用进程可以通过监听socket，来获取这个socket接受到的消息。

socket并不是一个实实在在的东西，而是运输层抽象出来的一个对象。

运输层增加了端口这个概念，来区分不同的socket。

端口可以理解为一个主机上有很多的网络通信口，每个端口都有一个端口号，端口的数量由运输层协议确定。

不同的运输层协议对socket有不同的定义方式。

在UDP协议中，使用目标IP+目标端口号来定义一个socket；在TCP中使用目标IP+目标端口号+源IP+源端口号来定义一个socket。

我们只需要在运输层报文的头部附加上这些信息，目标主机就会知道我们要发送给哪个socket，对应监听该socket的进程就可获得信息。

03 底层实现：运输层协议

运输层的协议就是大名鼎鼎的TCP和UDP。

其中，UDP是最精简的运输层协议，只实现了进程间的通信；而TCP在UDP的基础上，实现了可靠传输、流量控制、拥塞控制、面向连接等等特性，同时也更加复杂。

当然除此之外，还有更多更优秀的运输层协议，但目前广为使用的，就是TCP和UDP。

UDP在后面也会总结到哈。

03 TCP协议首部

TCP协议，表现在报文上，就是会在应用层传输下来的数据前附加上一个TCP首部。

这个首部附加了TCP信息，先来整体看一下这个首部的结构：

这张图是来自一位大学老师的课件，非常好用，所以一直拿来学习。

最下面部分表示了报文之间的关系，TCP数据部分就是应用层传下来的数据。

TCP首部固定长度是20字节，下面还有4字节是可选的。

内容很多，但其中有一些我们比较熟悉的：源端口，目标端口。

嗯？socket不是还需要IP进行定位吗？

IP地址在网络层被附加了。

其他的内容后面都会慢慢讲解，作为一篇总结文章，这里放出查阅表，方便复习：

选项字段中包含以下其他选项：

讲完下面内容，再回来看这些字段就熟悉了。

04 TCP面向字节流特性

TCP并不是把应用层传输过来的数据直接加上首部然后发送给目标，而是把数据看成一个字节流，给他们标上序号之后分部分发送。

这就是TCP的面向字节流特性：

TCP会以流的形式从应用层读取数据并存放在自己的发送缓存区中，同时为这些字节标上序号
TCP会从发送方缓冲区选择适量的字节组成TCP报文，通过网络层发送给目标
目标会读取字节并存放在自己的接收方缓冲区中，并在合适的时候交付给应用层

面向字节流的好处是无需一次存储过大的数据占用太多内存，坏处是无法知道这些字节代表的意义。

例如应用层发送一个音频文件和一个文本文件，对于TCP来说就是一串字节流，没有意义可言，这会导致粘包以及拆包问题。

05 可靠传输原理

前面讲到，TCP是可靠传输协议，也就是，一个数据交给他，他肯定可以完整无误地发送到目标地址，除非网络炸了。

他实现的网络模型如下：

对于应用层来说，他就是一个可靠传输的底层支持服务；而运输层底层采用了网络层的不可靠传输。

虽然在网络层甚至数据链路层就可以使用协议来保证数据传输的可靠性，但这样网络的设计会更加复杂、效率会随之降低。

把数据传输的可靠性保证放在运输层，会更加合适。

可靠传输原理的重点总结一下有：滑动窗口、超时重传、累积确认、选择确认、连续ARQ 。

01 停止等待协议

要实现可靠传输，最简便的方法就是：

我发送一个数据包给你，然后你跟我回复收到，我继续发送下一个数据包。

传输模型如下：

这种“一来一去”的方法来保证传输可靠就是停止等待协议（stop-and-wait）。

不知道还记不记得前面TCP首部有一个ack字段，当他设置为1的时候，表示这个报文是一个确认收到报文。

然后再来考虑一种情况：丢包。

网络环境不可靠，导致每一次发送的数据包可能会丢失，如果机器A发送了数据包丢失了，那么机器B永远接收不到数据，机器A永远在等待。解决这个问题的方法是：超时重传。

当机器A发出一个数据包时便开始计时，时间到还没收到确认回复，就可以认为是发生了丢包，便再次发送，也就是重传。

但重传会导致另一种问题：

如果原先的数据包并没有丢失，只是在网络中待的时间比较久，这个时候机器B会受到两个数据包，那么机器B是如何辨别这两个数据包是属于同一份数据还是不同的数据？

这就需要前面讲过的方法：

给数据字节进行编号。

这样接收方就可以根据数据的字节编号，得出这些数据是接下来的数据，还是重传的数据。

在TCP首部有两个字段：

序号和确认号，他们表示发送方数据第一个字节的编号，和接收方期待的下一份数据的第一个字节的编号。

前面讲到TCP是面向字节流，但是他并不是一个字节一个字节地发送，而是一次截取一整段。

截取的长度受多种因素影响，如缓存区的数据大小、数据链路层限制的帧大小等。

02 连续ARQ协议

停止等待协议已经可以满足可靠传输了，但有一个致命缺点：效率太低。

发送方发送一个数据包之后便进入等待，这个期间并没有干任何事，浪费了资源。

解决的方法是：连续发送数据包。

模型如下：

和停止等待最大的不同就是，他会源源不断地发送，接收方源源不断收到数据之后，逐一进行确认回复。

这样便极大地提高了效率。

但同样，带来了一些额外的问题:

发送是否可以无限发送直到把缓冲区所有数据发送完？

不可以。

因为需要考虑接收方缓冲区以及读取数据的能力。

如果发送太快导致接收方无法接受，那么只是会频繁进行重传，浪费了网络资源。

所以发送方发送数据的范围，需要考虑到接收方缓冲区的情况。

这就是TCP的流量控制。

解决方法是：滑动窗口。

基本模型如下：

发送方需要根据接收方的缓冲区大小，设置自己的可发送窗口大小，处于窗口内的数据表示可发送，之外的数据不可发送。
当窗口内的数据接收到确认回复时，整个窗口会往前移动，直到发送完成所有的数据

在TCP的首部有一个窗口大小字段，他表示接收方的剩余缓冲区大小，让发送方可以调整自己的发送窗口大小。

通过滑动窗口，就可以实现TCP的流量控制，不至于发送太快，导致太多的数据丢失。

连续ARQ带来的第二个问题是：

网络中充斥着和发送数据包一样数据量的确认回复报文，因为每一个发送数据包，必须得有一个确认回复。

提高网络效率的方法是：累积确认。

接收方不需要逐个进行回复，而是累积到一定量的数据包之后，告诉发送方，在此数据包之前的数据全都收到。

例如，收到 1234，接收方只需要告诉发送方我收到4了，那么发送方就知道1234都收到了。

第三个问题是：

如何处理丢包情况。

在停止等待协议中很简单，直接一个超时重传就解决了。

但，连续ARQ中不太一样。

例如：接收方收到了 123 567，六个字节，编号为4的字节丢失了。

按照累积确认的思路，只能发送3的确认回复，567都必须丢掉，因为发送方会进行重传。这就是GBN（go-back-n) 思路。

但是我们会发现，只需要重传4即可，这样不是很浪费资源，所以就有了：选择确认SACK 。

在TCP报文的选项字段，可以设置已经收到的报文段，每一个报文段需要两个边界来进行确定。

这样发送方，就可以根据这个选项字段只重传丢失的数据了。

03 可靠传输小结

到这里关于TCP的可靠传输原理就已经介绍的差不多。最后进行一个小结：

通过连续ARQ协议与发送-确认回复模式来保证每一个数据包都到达接收方
通过给字节编号的方法，来标记每一个数据是属于重传还是新的数据
通过超时重传的方式，来解决数据包在网络中丢失的问题
通过滑动窗口来实现流量控制
通过累积确认+选择确认的方法来提高确认回复与重传的效率

当然，这只是可靠传输的冰山一角，感兴趣可以再深入去研究。

06 拥塞控制

拥塞控制考虑的是另外一个问题：避免网络过分拥挤导致丢包严重，网络效率降低。

拿现实的交通举例子：

高速公路同一时间可通行的汽车数量是一定的，当节假日时，就会发生严重的堵车。

在TCP中，数据包超时，会进行重传，也就是会进来更多的汽车，这时候更堵。

最后导致的结果就是：丢包-重传-丢包-重传。

最后整个网络瘫痪了。

这里的拥塞控制和前面的流量控制不是一个东西。

流量控制是拥塞控制的手段：为了避免拥塞，必须对流量进行控制。

拥塞控制目的是：限制每个主机的发送的数据量，避免网络拥塞效率下降。

就像广州等地，限制车牌号出行是一个道理。不然大家都堵在路上，谁都别想走。

拥塞控制的解决方法是流量控制，流量控制的实现是滑动窗口，所以拥塞控制最终也是通过限制发送方的滑动窗口大小来限制流量。

当然，拥塞控制的手段不只是流量控制，导致拥塞的因素有：路由器缓存、带宽、处理器处理速度等等。

提升硬件能力（把4车道改成8车道）是其中一个方法，但毕竟硬件提升是有瓶颈的，没办法不断提升，还是需要从tcp本身来增加算法，解决拥塞。

拥塞控制的重点有4个：慢开始、快恢复、快重传、拥塞避免。这里依旧献祭出大学老师的ppt图片：

Y轴表示的是发送方窗口大小，X轴表示的是发送的轮次（不是字节编号）。

最开始的时候，会把窗口设置一个较小的值，然后每轮变为原来的两倍。这是慢开始。
当窗口值到达ssthresh值，这个值是需要通过实时网络情况设置的一个窗口限制值，开始进入拥塞避免，每轮把窗口值提升1，慢慢试探网络的底线。
如果发生了数据超时，表示极可能发生了拥塞，然后回到慢开始，重复上面的步骤。
如果收到三个相同的确认回复，表示现在网络的情况不太好，把ssthresh的值设置为原来的一半，继续拥塞避免。这部分称为快恢复。
如果收到丢包信息，应该尽快把丢失的包重传一次，这是快重传。
当然，窗口的最终上限是不能无限上涨的，他不能超过接收方的缓存区大小。

通过这个算法，就可以在很大程度上，避免网络拥挤。

除此之外，还可以让路由器在缓存即将满的时候，告知发送方我快满了，而不是等到出现了超时再进行处理，这是主动队列管理AQM。

此外还有很多方法，但是上面的算法是重点。

07 面向连接

这一小节讲的就是无人不晓的TCP三次握手与四次挥手这些，经过前面的内容，这一小节其实已经很好理解。

TCP是面向连接的，那连接是什么？

这里的连接并不是实实在在的连接，而是通信双方彼此之间的一个记录。

TCP是一个全双工通信，也就是可以互相发送数据，所以双方都需要记录对方的信息。

根据前面的可靠传输原理，TCP通信双方需要为对方准备一个接收缓冲区可以接收对方的数据、记住对方的socket知道怎么发送数据、记住对方的缓冲区来调整自己的窗口大小等等。

这些记录，就是一个连接。

在运输层小节中讲到，运输层双方通信的地址是采用socket来定义的，TCP也不例外。

TCP的每一个连接只能有两个对象，也就是两个socket，而不能有三个。

所以socket的定义需要源IP、源端口号、目标IP、目标端口号四个关键因素，才不会发生混乱。

假如TCP和UDP一样只采用目标IP+目标端口号来定义socket，那么就会出现多个发送方同时发送到同一个目标socket的情况。

这个时候TCP无法区分这些数据是否来自不同的发送方，就会导致出现错误。

既然是连接，就有两个关键要点：建立连接、断开连接。

01 建立连接

建立连接的目的就是交换彼此的信息，然后记住对方的信息。

所以双方都需要发送彼此的信息给对方：

但前面的可靠传输原理告诉我们，数据在网络中传输是不可靠的，需要对方给予我们一个确认回复，才可以保证消息正确到达。

如下图：

机器B的确认收到和机器B信息可以进行合并，减少次数；

而且发送机器B给机器A本身就代表了机器B已经收到了消息，所以最后的示例图是：

步骤如下：

1、机器A发送syn包向机器B请求建立TCP连接，并附加上自身的接收缓冲区信息等，机器A进入SYN_SEND状态，表示请求已经发送正在等待回复；

2、机器B收到请求之后，根据机器A的信息记录下来，并创建自身的接收缓存区，向机器A发送syn+ack的合成包，同时自身进入SYN_RECV状态，表示已经准备好了，等待机器A 的回复就可以向A发送数据；

3、机器A收到回复之后记录机器B 的信息，发送ack信息，自身进入ESTABLISHED状态，表示已经完全准备好了，可以进行发送和接收；

4、机器B收到ACK数据之后，进入ESTABLISHED状态。

三次消息的发送，称为三次握手。

02 断开连接

断开连接和三次握手类似，直接上图：

1、机器A发送完数据之后，向机器B请求断开连接，自身进入FIN_WAIT_1状态，表示数据发送完成且已经发送FIN包（FIN标志位为1）；

2、机器B收到FIN包之后，回复ack包表示已经收到，但此时机器B可能还有数据没发送完成，自身进入CLOSE_WAIT状态，表示对方已发送完成且请求关闭连接，自身发送完成之后可以关闭连接；

3、机器B数据发送完成之后，发送FIN包给机器B ，自身进入LAST_ACK状态，表示等待一个ACK包即可关闭连接；

4、机器A收到FIN包之后，知道机器B也发送完成了，回复一个ACK包，并进入TIME_WAIT状态。

这里说明一下，TIME_WAIT状态比较特殊。

当机器A收到机器B的FIN包时，理想状态下，确实是可以直接关闭连接了；但是：

（1）我们知道网络是不稳定的，可能机器B 发送了一些数据还没到达（比FIN包慢）；

（2）同时回复的ACK包可能丢失了，机器B会重传FIN包；

如果此时机器A马上关闭连接，会导致数据不完整、机器B无法释放连接等问题。

所以此时机器A需要等待2个报文生存最大时长，确保网络中没有任何遗留报文了，再关闭连接。

5、最后，机器A等待两个报文存活最大时长之后，机器B 接收到ACK报文之后，均关闭连接，进入CLASED状态。

双方之间4次互相发送报文来断开连接的过程，就是四次挥手。

现在，对于为什么握手是三次挥手是四次、一定要三次/四次吗、为什么要停留2msl再关闭连接等等这些问题，就都解决了。

08 UDP协议

运输层协议除了TCP，还有大名鼎鼎的UDP。

如果说TCP凭借他完善稳定的功能独树一帜，那UDP就是精简主义乱拳打死老师傅。

UDP只实现了运输层最少的功能：进程间通信。

对于应用层传下来的数据，UDP只是附加一个首部就直接交给网络层了。

UDP的头部非常简单，只有三部分：

源端口、目标端口：端口号用来区分主机的不同进程；
校验码：用于校验数据包在传输的过程中没有出现错误，例如某个1变成了0；
长度：报文的长度。

所以UDP的功能也只有两个：校验数据报是否发生错误、区分不同的进程通信。

但，TCP的功能虽然多，但同时也是要付出相对应的代价。

例如面向连接的特性，在建立和断开连接的时候会有开销；拥塞控制的特性，会限制传输的上限等等。

下面来罗列一下UDP的优缺点：

01 UDP的缺点

无法保证消息完整、正确到达，UDP是一个不可靠的传输协议；
缺少拥塞控制容易互相竞争资源导致网络系统瘫痪

02 UDP的优点

效率更快；不需要建立连接以及拥塞控制
连接更多的客户；没有连接状态，不需要为每个客户创建缓存等
分组首部字节少，开销小；TCP首部固定首部是20字节，而UDP只有8字节；更小的首部意味着更大比例的数据部分
在一些需要高效率允许可限度误差的场景下可以使用。如直播场景，并不需要保证每个数据包都完整到达，允许一定的丢包率，这个时候TCP的可靠特性反而成为了累赘；精简的UDP更高的效率是更加适合的选择
可以进行广播；UDP并不是面向连接的，所以可以同时对多个进程进行发送报文