计算机网络（九）—— 传输层

计算机网络

传输层架构在网络层之上，在两台计算机进程之间传输数据，常见的传输层协议包括TCP和UDP。

1. TCP

1.1. 首部格式

1.2. TCP状态机

TCP是面向连接的，在其生命周期会有各种不同状态

状态 描述
LISTEN 等待来自远程TCP应用程序的请求
SYN_SENT 发送连接请求后等待来自远程端点的确认。TCP第一次握手后客户端所处的状态
SYN-RECEIVED 该端点已经接收到连接请求并发送确认。该端点正在等待最终确认。TCP第二次握手后服务端所处的状态
ESTABLISHED 代表连接已经建立起来了。这是连接数据传输阶段的正常状态
FIN_WAIT_1 等待来自远程TCP的终止连接请求或终止请求的确认
FIN_WAIT_2 在此端点发送终止连接请求后，等待来自远程TCP的连接终止请求
CLOSE_WAIT 该端点已经收到来自远程端点的关闭请求，此TCP正在等待本地应用程序的连接终止请求
CLOSING 等待来自远程TCP的连接终止请求确认
LAST_ACK 等待先前发送到远程TCP的连接终止请求的确认
TIME_WAIT 等待足够的时间来确保远程TCP接收到其连接终止请求的确认

1.2.1. 三次握手

1.2.2. 四次挥手


具体过程如下：
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  • 客户端主动调用关闭连接的函数，于是就会发送FIN报文，这个FIN报文代表客户端不会再发送数据了，进入FIN_WAIT_1状态；
  • 服务端收到了FIN报文，然后马上回复一个ACK确认报文，此时服务端进入 CLOSE_WAIT状态。在收到FIN报文的时候，TCP 协议栈会为FIN包插入一个文件结束符EOF到接收缓冲区中，服务端应用程序可以通过read调用来感知这个FIN包，这个EOF会被放在已排队等候的其他已接收的数据之后，所以必须要得继续read接收缓冲区已接收的数据；
  • 接着，当服务端在read数据的时候，最后自然就会读到EOF，接着read() 就会返回 0，这时服务端应用程序如果有数据要发送的话，就发完数据后才调用关闭连接的函数，如果服务端应用程序没有数据要发送的话，可以直接调用关闭连接的函数，这时服务端就会发一个FIN包，这个FIN报文代表服务端不会再发送数据了，之后处于LAST_ACK状态；
  • 客户端接收到服务端的FIN包，并发送ACK确认包给服务端，此时客户端将进入TIME_WAIT状态；
  • 服务端收到ACK确认包后，就进入了最后的CLOSE状态；
  • 客户端经过2MSL时间之后，也进入CLOSE状态；

!tcp关键内核参数#1.1. tcp timewait

1.2.3. RST

其实关闭的连接的函数有两种函数：

  • close函数，同时socket关闭发送方向和读取方向，也就是socket不再有发送和接收数据的能力；
  • shutdown函数，可以指定socket只关闭发送方向而不关闭读取方向，也就是socket 不再有发送数据的能力，但是还是具有接收数据的能力；

close在某些场景下会导致RST：

  1. 只要TCP栈的读缓冲里还有未读取（read）数据，则调用close时会直接向对端发送RST。比如客户端一次发送100个字节，但是服务器read设置最多读取90个，read一次后就不再read，所以还有10个在缓冲区，服务器执行close，服务器会发送RST。如果客户端第一次发送100个字节，服务器read最多读取100个，read一次把数据全部读出来了，然后客户端再发送100个字节，但是服务器没有read，执行close，执行的是四次挥手。
  2. 如果客户端用close函数来关闭连接，那么在TCP四次挥手过程中，如果收到了服务端发送的数据，由于客户端已经不再具有发送和接收数据的能力，所以客户端的内核会回RST报文给服务端，然后内核会释放连接，这时就不会经历完成的 TCP 四次挥手，所以我们常说，调用close是粗暴的关闭。

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当服务端收到RST后，内核就会释放连接，当服务端应用程序再次发起读操作或者写操作时，就能感知到连接已经被释放了

  • 如果是读操作，则会返回RST的报错，也就是我们常见的http连接池#2.1.2. Connection reset by peer|Connection reset by peer。
  • 如果是写操作，那么程序会产生SIGPIPE信号，应用层代码可以捕获并处理信号，如果不处理，则默认情况下进程会终止，异常退出。
    相对的，shutdown函数因为可以指定只关闭发送方向而不关闭读取方向，所以即使在 TCP 四次挥手过程中，如果收到了服务端发送的数据，客户端也是可以正常读取到该数据的，然后就会经历完整的 TCP 四次挥手，所以我们常说，调用 shutdown 是优雅的关闭。
  • 当调用 shutdown(sockfd, SHUT_RD) 时，关闭套接字的读方向，这意味着该套接字不能再接收数据，即使接收缓冲区中还有数据也会被丢弃。对端如果继续发送数据，接收方会回复 RST 包，强制关闭连接。
  • 当调用 shutdown(sockfd, SHUT_WR) 时，关闭套接字的写方向，这会导致发送缓冲区中的数据被立即发送出去（如果有数据的话），然后发送一个 FIN 包给对端，通知对端本方不再发送数据，但仍可以接收对端的数据。这就是所谓的 “半关闭” 状态，常用于在完成数据发送后，等待对方发送完剩余数据再完全关闭连接的场景。
    • 当调用 shutdown(sockfd, SHUT_RDWR) 时，相当于同时关闭读写方向，功能类似 close 函数，但 shutdown 不会立即释放套接字资源，直到所有数据传输完毕和连接完全关闭。

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1.2.3.1. 四次挥手优化为三次

当被动关闭方（下图的服务端）在 TCP 挥手过程中，「没有数据要发送」并且「开启了 TCP 延迟确认机制」，那么第二和第三次挥手就会合并传输，这样就出现了三次挥手。
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因为TCP延迟确认机制是默认开启的，所以导致我们抓包时，看见三次挥手的次数比四次挥手还多
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1.3. TCP延迟确认机制

当发送没有携带数据的ACK，它的网络效率也是很低的，因为它也有40个字节的IP头和TCP头，但却没有携带数据报文。为了解决ACK传输效率低问题，所以就衍生出了TCP延迟确认。

TCP 延迟确认的策略：

  • 当有响应数据要发送时，ACK会随着响应数据一起立刻发送给对方
  • 当没有响应数据要发送时，ACK将会延迟一段时间，以等待是否有响应数据可以一起发送
  • 如果在延迟等待发送ACK期间，对方的第二个数据报文又到达了，这时就会立刻发送 ACK
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2. UDP

3. TCP与UDP的区别

TCP UDP
是否连接 面向无连接 面向连接
是否可靠 不可靠传输，尽力交付 可靠传输，有流量控制和拥塞控制
通信方式 支持单播、多播 只能点对点通信
传输方式 面向报文 面向字节流
首部开销 8字节 最小20字节，最大60字节
使用场景 适用IP电话、视频会议、直播、即时通讯等实时应用 适用要求可靠传输的应用，如http，ftp等

4. 引用

  1. TCP状态机
  2. TCP报文段首部格式详解
  3. TCP四次挥手变为三次