通過故事引申網路協議TCP

1. 五弟，我要發一些貨過去。
2. 收到，老地方，不見不散。

 一開始這個方式挺好用的，直到有一年夏天，五弟找上門來了：我等了你一天，你的貨呢？我交了錢借用了一天的碼頭，都白交了。二哥：我也著急呀，你一直沒回信，我都等了兩天，我不知道咋肥四，就沒發了。應該是回信的那隻鳥，被大風颳走了。最近海上天氣不好，想必我放的那隻鳥也是歷經千辛萬苦才去到你那。這樣吧，五弟，我改一下流程吧：

1. 五弟，我要發一些貨過去。
2. 收到，老地方，不見不散。
3. 五弟，好的，老地方。

五弟琢磨了一下，前面的鳥能夠一來一回，二哥能看出海上沒有危險。我收到二哥的訊息後也能看出海上無風雨，這時我再去借碼頭，也能節省一些時間，妙，實在妙，還是二哥聰明，只是二哥要比我多訓練一倍的鳥。五弟哪裡的話，浪費這點資源算什麼呢。

三次握手就這樣誕生了。

流量控制

過了一些時日，五弟又來找二哥商量了：碼頭上的倉庫空間，人力始終有限，二哥一次派了這麼多艘船來，五弟實在忙不過來，船都堵在渡口，人家的船進不來，出不去啊。為了此事二哥想了一宿，找來了五弟商量：五弟呀，這個確實是個頭疼的問題呀。

最簡單的辦法就是一開始你就告訴我你能處理多少貨，我就派一批船過去。等你處理完了通知我，我再派一批過去。但是這種方式應變能力太低了，假設港口一開始沒這麼堵，但是可能還有一些商家在海上來往，結果我這一批派過去，就導致堵塞擁擠了。這個應變能力能理太差了，要提高這個應變能力，就不能派太多的船湧進港口，只能一小批，一小批的派了。

這樣你每次收到貨之後，就讓回來的船告訴我你那裡剩餘多少空間，我好安排下一趟船隻。五弟撓撓頭，不明白。二哥敲了下這木魚腦袋道：假設我們要運送720的貨，你碼頭的倉庫最多能存360的貨物，我每次派100的貨物，當然我的每艘船隻能載重是10(MTU 最大傳輸單元限制)。

• 第一趟，我送過去100，我需要派10艘過去，你讓返回的船老大告訴我你那裡還剩260的空間。
  
• 第二趟，我送過去100，我需要派10艘過去，你讓返回的船老大告訴我你那裡還剩160的空間。
  
• 第三趟，我送過去100，我需要派10艘過去，你讓返回的船老大告訴我你那裡還剩60的空間。
  
• 第四趟，我送過去60，我需要派6艘過去，這時候倉庫已滿，你開始讓工人搬運，等你搬運好了，就通知我。
• 第五趟，收到五弟那邊的通知，我開始送過去100，我需要派10艘過去，你讓返回的船老大告訴我你那裡還剩260的空間。
• 第六趟，我送過去100，我需要派10艘過去，你讓返回的船老大告訴我你那裡還剩160的空間。
  
• 第七趟，我送過去100，我需要派10艘過去，你讓返回的船老大告訴我你那裡還剩60的空間。
  
• 第八趟，我送過去60，我需要派6艘過去，這時候貨就發完了，圓滿大吉。

藉助視窗解決了流量控制的問題。

丟包重傳

沒過多久，五弟又來找二哥商量了：我收到的貨物缺斤少兩的，對不上數呀，我猜呀，海上風雲莫測，可能有些船隻失蹤了，這可咋辦呀。二哥想了想，能咋辦，重發唄。這樣，我給每一個船隻編上號，到了一段時間，沒回來的船隻，我再重發那批貨物吧。至於間隔多久才決定重發，這個非常重要。

• 設長了，重發慢了，丟了老半天才發過去，效率太低了，也讓五弟等太久了。
• 設短了，更恐怖，可能會導致沒有丟的也重發，這樣就重發多了，更多的船堵在海上，許久不能到達返回，導致更多的超時，更多的重發。

再加上海上風雲莫測，每次來回的時間不是固定的。只能動態的估算這個值了。這樣，每批次的船隻一來一回算一個單位(RTT)。然後根據這個RTT的時間計算超時時間(RTO)。當發生了重發，就會將超時時間加倍。防止太頻繁重傳導致更加擁擠。

重傳歧異

但是這樣的會有一個問題，假設7號船一直沒回來，這時候再派一個7號船過去，許久後，終於回來了，那麼這艘船是第一艘的還是重發的那艘呢？忽略說能認出船老大的陳獨秀同學(摳鼻)。

• 如果回來的船的是重發的那艘，假設是按第一艘來算，那麼間隔時間算長了。
• 如果回來的船的是第一艘的，卻又按照重發的那艘來算，間隔時間又算短了。
  

這是一個苦差事，具體怎麼算，還是請位大師來算吧。此事算了了。

慢啟動

五弟又過了找二哥了：運720的貨都跑了8趟了，那送7200的貨那還不得九九八十一趟啊。這效率不行啊，二哥道：你想到的我也想到了,一開始我並不知道海上的擁擠情況，所以不敢派太多的船，我想了一個辦法，先發的慢一點，探測一下情況，然後再慢慢提速。假設我一開始派n艘船。

• 先假定cwnd = 1，表示我這個批次派 cwnd*n 艘船。
• 每當有一艘船回來，cwnd++，線性上升。
• 每當過一個RTT，也就是當前批次的船回來了，cwnd = cwnd *2，指數上升。

這樣，就可以解決效率低的問題了。

擁塞避免

當然，不可能一直是增加。這樣擁堵只是時間問題。所以需要一個閾值。

• 當 cwnd < 閾值，使用慢啟動演算法
• 當cwnd >= 閾值，使用擁塞避免演算法

擁塞避免演算法的思路就是降低加速度，讓它緩慢的增長。

• 每當有一艘船回來，cwnd = 1/cwnd
• 每當過一個RTT，cwnd++

擁塞處理

以上都是正常的情況，當發生了重傳，說明發生了擁擠，就不能再發這麼多船了，這時候cwnd減半，重新進入慢啟動。

好了，故事就講到這裡了。

當出現了RTO超時重傳，因為ack都收不到了，所以它的處理會比較猛烈：

• 將門限ssthresh的值設為當前cwnd值的一半，也就是閾值。之所以減半，是為了公平性，騰出空間給其他新連結保證頻寬。
• cwnd設為1。
• 重新進入慢啟動。

cwnd決定了傳送視窗的大小，如果只是出現了輕度的擁堵，就直接猛烈縮小視窗，進入慢啟動後，cwnd恢復的很慢，這顯然得不償失，所以需要一種主動觸發重傳的機制，就有了後來的快速重傳和快速恢復。

快速重傳

僅僅只是靠超時重傳，並不能發生了包丟失，卻要等到超時才開始重傳，這顯然效率不夠，所以需要找到重傳的規律。雖然我們發的包是有序的，但是IP包是無序的，所以會導致到達的包出現無序的情況。先來看下下面一組資料。

• 1，2，3，4        已傳送，已確認到達
• 5，6，7，8，     已傳送，未確到達
• 9，10，11 ，12    在傳送緩衝區等待傳送，滑動視窗已經沒有空間了。

要保證可靠性，就必須要保證順序和完整，來看看事故發生現場。

• 5，6，7，8。ack=9 , 因為Seq=5，length = 4，ack = seq+lenght，window size 剩餘 4。不會每一個都返回ack，這樣將會消耗大量的頻寬。
• 6，5，7，8。ack=5，ack=5，ack=9，6到達的時候，發現順序不對，則會發出ack=5，期待客戶端下次傳送seq=5的包，因為還沒有達到三次所以客戶端不會理會這個資訊，果然後面就如期而至。
•  6，7，8，5。ack=5，ack=5，ack=5，ack=5，ack=9。重複三次了，所以後面重發了5。

從上面的情況可以看出不管是亂序還是丟包，都會收到重複的ack的。在快速重傳演算法中，當收到三次重複的ack，就認定它是丟包了。但實際上，三次重複ack並不能判斷出是丟包或亂序，只能說出現了問題，它只是在效率和過早重傳之間的一個權衡。

• 如果兩次重複ack就傳送可能會因為頻繁傳送導致擁擠堵塞。
  
• 如果太晚傳送效率就跟不上。
• 如果三次接收端都能收到重複ack，說明網路不會太差。

收到了三次重複的ack，進入快速重傳需要做幾件事情：

• ssthresh =cwnd/2
  
• cwnd=ssthresh
  
• 這時候因為cwnd等於閾值，所以重新進入擁塞避免階段

由於快速重傳有可能是因為順序的問題而誤判，或者只是輕微的擁堵，導致進入了擁塞避免階段，這時候為了達到快速恢的目的，將會停止傳送後面的資料，只傳送重傳資料，為了提高恢復效率，將會使用快速恢演算法。

快速恢復

為了保證快速重傳效率，進入快速恢復階段會有以下幾個步驟。

• 由於在上一個階段，cwnd和ssthresh變成了，ssthresh =cwnd/2，cwnd=ssthresh+3，之所以加3，是因為剛剛收到了3個重複的ack。
• 當再次收到重複的ack，cwnd = cwnd+1。
• 當收到新的ack，非重複的ack，cwnd=ssthresh，退出快速恢復階段，進入擁塞避免狀態。

總的來說就是騰出空間，快馬加鞭。

TCP 重傳機制

在上面的重傳原理介紹中，我們還忽視了一個問題，例如客戶端在傳送1，2，3，4，5，6，7包時，2，4，6，包丟了，這種情況還是比較常見的，這時候就會面臨一個問題，到底是一個一個重傳，還是將2後面的包都重發過去。

• 停等協議。這時候接收方和傳送方的視窗大小都是1，這樣每次只能傳送一個，也就是一個一個重傳。缺點是效率太低。
• 後退n幀協議。使用這個協議，為了保證接收方有足夠的空間，2之後的資料都要丟棄，然後傳送方將2後面的資料都全部傳送。缺點是需要有足夠大的快取空間。

  後退n幀協議雖然效率高，但是遇到大場面，在網路比較差或者頻寬比較低的情況，如果仍然使用這個協議會導致情況更加惡劣，這種情況停等協議雖然效率比較低，但是還是比較適用的。

視窗的滑動

TCP提供體積可變的滑動視窗機制，支援端對端的流量控制：

• TCP連線階段，雙方協商視窗的尺寸，同時接收方預留資料快取區
• 傳送方根據協商的結果，傳送符合視窗的尺寸的位元組流，然後等待ack確認。
• 傳送方根據返回的確認資訊，調整視窗的尺寸，調整包括，如果出現傳送擁塞，傳送視窗縮小原來的一半，同時將超時重傳時間間隔擴大一倍，防止發生重傳風暴。

在傳輸的過程中，視窗是滑動的

看下圖5-15，TCP連線階段，雙方協商視窗的尺寸，同時接收方預留資料快取區

看圖5-16，假設視窗的閾值是一半，所以A傳送11個幀，傳送後，等待確認，傳送視窗位置不變。這時候發生了丟包，32，33沒有收到。雖然31已經收到了，視窗理論上可以往右移動一個位置，但是為了節省寬頻，不會每一個幀都回復ack，而是累積幾個之後在發出，所以31不會回覆ack，視窗就卡在這了。

看圖5-17，這時候30-33的已經確認了，所以視窗可以往右滑動三幀。37，38，40也許延遲還未收到。

看圖5-18，在重傳機制生效之前，A繼續傳送了後面的資料，這時候視窗已經全部用完，A會停止傳送資料，等待B的視窗可用，B處理完之後會等待A傳送資料，這樣就造成了雙方在等待，為了解決這個問題，TCP使用了Zero Window Probe技術，縮寫ZWP。在視窗尺寸變成0之後，傳送端會傳送ZWP包詢問接收端是否有足夠的空間可以傳送資料了，TCP使用持續計時器，如果結果仍然為0，則重置定時器繼續等待。

丟包的原因

• 接收方快取區滿了
• 訊號差，波形失真
• 包的校檢失敗
• 網路擁塞

亂序的原因

• IP包是無序的
• 中介軟體的內部排程，如路由器，路由器裡面是有處理器，有些路由器使用多個流量處理單元，導致不同包在不同的處理單元，最後到達時間不一樣而發生了亂序
• 多路複用，統一連結，不同路徑到達

TCP包頭格式

標誌位

• SYN 用於連線請求時的標誌，SYN = 1
• ACK 用於確認成功接收資料，ACK = 1
• FIN  用於連線釋放的標誌，FIN= 1
• RST 用於重置一個異常的連線，接收端 告知 傳送端 此連線有問題

• PSH 用於通知接收端將快取區的資料提交給上層，即使沒有滿
• URG 用於通知接收端當前為緊急資料，將這個資料直接提交給上層，它不經過快取區，後面的緊急指標表示緊急資料在當前資料的偏移位置

三次握手

• 首先整個過程Seq都是動態生成的唯一序列號，無論誰發給誰，為了防止新連線和舊連線竄了。
  
• ACK = 收到的Seq + 1
• SYN = 1

連線過程的狀態

• 客戶端SYN_SENT。客戶端傳送 SYN = 1，Seq = X 將狀態設定為 SYN_SENT
  
• 服務端SYN_RCVD。半連線狀態，伺服器收到後將狀態設定為SYN_RCVD，並返回 SYN = 1，ACK= 1，Seq = Y，Ack = X + 1
• 客戶端ESTABLISHED。客戶端收到後，狀態設為ESTABLISHED，表示連線已建立。併傳送ACK= Y + 1，Seq = Z
• 服務端ESTABLISHED。服務端收到後，狀態設為ESTABLISHED，表示連線已建立。
  

伺服器維護了一個半連線的佇列，該佇列為每個客戶端的SYN包（SYN=X）開設一個條目，表示伺服器已經收到SYN包，並向客戶端發出確認，正在等待客戶端的確認包。當伺服器收到客戶端的確認包時，刪除該條目，該連線進入ESTABLISHED狀態。

四次揮手

1. FIN-WAIT-1。客戶端停止傳送資料，FIN=1，Seq=X(前面已經傳送過來的資料最後一個位元組的序號+1)，客戶端進入FIN-WAIT-1狀態。
2. CLOSE-WAIT。伺服器發出Ack = X + 1，進入CLOSE-WAIT狀態，通知應用程式，因為伺服器是被動收到通知，此時服務可能資料還沒發完，還要繼續傳送。
3. FIN-WAIT-2。收到伺服器的回覆，再次等待伺服器的關閉通知。這時候伺服器還可能發著資料給客戶端。
   
4. LASK-ACK。伺服器終於把事情處理完了，可以發出FIN = 1，Seq = Z，ACK = X + 1告知伺服器斷開連線，進入最後確認狀態。
5. TIME-WAIT,收到伺服器的關閉請求，客戶端回覆ACK = 1，Seq = X + 1，Ack = Z + 1，這時候客戶端不會馬上釋放連線，它會等待2MSL(報文最長存活時間)，防止這個訊息伺服器沒有收到，而這時伺服器發出重傳資訊，客戶端就可以即時響應。
6. CLOSED，伺服器收到訊息後釋放連線，客戶端經過2MSL後也釋放連線。

資料是如何傳輸的

兩臺電腦之間通訊都需要把數字訊號01轉化成電訊號，再調製成電磁波(比如光)。電磁波本身無法承載資訊的，但是我們可以控制電磁波的變化(幅度AM，頻率FM，相位PM)，讓這些變化可以代表0和1。也就是說在訊號線中走的是電磁波，所以在佈線的時候要注意線與線之間的串擾。

電磁波有很多頻段比如2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz，在空氣中存在很多不同頻段的波，所以需要進行定寬調頻，也就是說確定頻寬，然後再進行濾波，所謂的濾波就是通過濾波演算法，比如卡爾曼濾波，根據截止頻率是否靠近特徵頻率以及衰減程度來分類的，最後轉換成01訊號。頻寬又叫頻寬是指在固定的的時間可傳輸的資料數量，亦即在傳輸管道中可以傳遞資料的能力。在數字裝置中，頻寬通常以 bps表示，即每秒可傳輸之位數。

截止頻率

用來說明電路頻率特性指標的特殊頻率。當保持電路輸入訊號的幅度不變，改變頻率使輸出訊號降至最大值的0.707倍，或某一特殊額定值時該頻率稱為截止頻率。在高頻端和低頻端各有一個截止頻率，分別稱為上截止頻率和下截止頻率。兩個截止頻率之間的頻率範圍稱為通頻帶。

幀

將訊號轉化成位元組，再將位元組組裝成幀。再乙太網鏈路上的資料包被稱為以太幀，在802.3標準理，規定了一個以太幀的資料部分(Playload)的最大長度是1500個位元組(MTU)，另外，乙太網幀最小長度為64位元組。