分分鐘讀懂tcp/ip通訊協議原理(含視訊)

架構師技術聯盟發表於2018-05-02

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前期分享了那麼多關於SDN的文章(如漫談SDN技術發展史等，請通過歷史文章查閱)，有很多小夥伴提出建議，希望抽時間介紹下網路基礎知識，今天就分享一篇網路基礎文章。一篇文章獻給五一節後的小夥伴，幫助進入工作狀態，以下是文章正文。TCP是網際網路核心協議之一，本文介紹它的基礎知識。

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一、TCP 協議的作用

網際網路由一整套協議構成。TCP 只是其中的一層，有著自己的分工。

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(圖片說明：TCP 是乙太網協議和 IP 協議的上層協議，也是應用層協議的下層協議)

最底層的乙太網協議（Ethernet）規定了電子訊號如何組成資料包(Packet)，解決了子網內部的點對點通訊。

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(圖片說明：乙太網協議解決了區域網的點對點通訊)

但是，乙太網協議不能解決多個區域網如何互通，這由 IP 協議解決。

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(圖片說明：IP 協議可以連線多個區域網)

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，允許某個區域網的 A 主機，向另一個區域網的 B 主機傳送訊息。

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(圖片說明：路由器就是基於 IP 協議。區域網之間要靠路由器連線)

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"，實現了資料包的轉發。

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(圖片說明：本機的路由表註明了不同 IP 目的地的資料包，要傳送到哪一個網口)

IP 協議只是一個地址協議，並不保證資料包的完整。如果路由器丟包(比如快取滿了，新進來的資料包就會丟失)，就需要發現丟了哪一個包，以及如何重新傳送這個包。這就要依靠TCP協議。

簡單說，TCP 協議的作用是，保證資料通訊的完整性和可靠性，防止丟包。

二、TCP 資料包的大小

乙太網資料包(Packet)的大小是固定的，最初是1518位元組，後來增加到1522位元組。其中， 1500 位元組是負載(Payload)，22位元組是頭資訊(Head)。IP 資料包在乙太網資料包的負載裡面，它也有自己的頭資訊，最少需要20位元組，所以 IP 資料包的負載最多為1480位元組。

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(圖片說明：IP 資料包在乙太網資料包裡面，TCP 資料包在 IP 資料包裡面)

TCP 資料包在 IP 資料包的負載裡面。它的頭資訊最少也需要20位元組，因此 TCP 資料包的最大負載是 1480 - 20 = 1460 位元組。由於 IP 和 TCP 協議往往有額外的頭資訊，所以 TCP 負載實際為1400位元組左右。因此，一條1500位元組的資訊需要兩個 TCP 資料包。HTTP/2 協議的一大改進，就是壓縮 HTTP 協議的頭資訊，使得一個 HTTP 請求可以放在一個 TCP 資料包裡面，而不是分成多個，這樣就提高了速度。

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(圖片說明：乙太網資料包的負載是1500位元組，TCP 資料包的負載在1400位元組左右)

三、TCP 資料包的編號(SEQ)

1400位元組，那麼一次性傳送大量資料，就必須分成多個包。比如，一個 10MB 的檔案，需要傳送7100多個包。傳送的時候，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，這裡就把它稱為1號包。假定這個包的負載長度是100位元組，那麼可以推算出下一個包的編號應該是101。這就是說，每個資料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，應該按照什麼順序將它們還原成原始檔案。

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(圖片說明：當前包的編號是45943，下一個資料包的編號是46183，由此可知，這個包的負載是240位元組)

四、TCP 資料包的組裝

收到 TCP 資料包以後，組裝還原是作業系統完成的。應用程式不會直接處理 TCP 資料包。對於應用程式來說，不用關心資料通訊的細節。除非線路異常，收到的總是完整的資料。應用程式需要的資料放在 TCP 資料包裡面，有自己的格式(比如 HTTP 協議)。

TCP 並沒有提供任何機制，表示原始檔案的大小，這由應用層的協議來規定。比如，HTTP 協議就有一個頭資訊Content-Length，表示資訊體的大小。對於作業系統來說，就是持續地接收 TCP 資料包，將它們按照順序組裝好，一個包都不少。

作業系統不會去處理 TCP 資料包裡面的資料。一旦組裝好 TCP 資料包，就把它們轉交給應用程式。TCP 資料包裡面有一個埠(port)引數，就是用來指定轉交給監聽該埠的應用程式。

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(圖片說明：系統根據 TCP 資料包裡面的埠，將組裝好的資料轉交給相應的應用程式。上圖中，21埠是 FTP 伺服器，25埠是 SMTP 服務，80埠是 Web 伺服器)

應用程式收到組裝好的原始資料，以瀏覽器為例，就會根據 HTTP 協議的Content-Length欄位正確讀出一段段的資料。這也意味著，一次 TCP 通訊可以包括多個 HTTP 通訊。

五、慢啟動和 ACK

伺服器傳送資料包，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。頻寬小、路由器過熱、快取溢位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，線上路允許的情況下，達到最高速率。但是我們怎麼知道，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，傳送得較慢，然後根據丟包的情況，調整速率：如果不丟包，就加快傳送速度；如果丟包，就降低傳送速度。

Linux 核心裡面設定了(常量TCP_INIT_CWND)，剛開始通訊的時候，傳送方一次性傳送10個資料包，即"傳送視窗"的大小為10。然後停下來，等待接收方的確認，再繼續傳送。預設情況下，接收方每收到兩個 TCP 資料包，就要傳送一個確認訊息。"確認"的英語是 acknowledgement，所以這個確認訊息就簡稱 ACK。ACK 攜帶兩個資訊。

期待要收到下一個資料包的編號
接收方的接收視窗的剩餘容量

傳送方有了這兩個資訊，再加上自己已經發出的資料包的最新編號，就會推測出接收方大概的接收速度，從而降低或增加傳送速率。這被稱為"傳送視窗"，這個視窗的大小是可變的。

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(圖片說明：每個 ACK 都帶有下一個資料包的編號，以及接收視窗的剩餘容量。雙方都會傳送 ACK)

注意，由於 TCP 通訊是雙向的，所以雙方都需要傳送 ACK。兩方的視窗大小，很可能是不一樣的。而且 ACK 只是很簡單的幾個欄位，通常與資料合併在一個資料包裡面傳送。

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(圖片說明：上圖一共4次通訊。第一次通訊，A 主機發給B 主機的資料包編號是1，長度是100位元組，因此第二次通訊 B 主機的 ACK 編號是 1 + 100 = 101，第三次通訊 A 主機的資料包編號也是 101。同理，第二次通訊 B 主機發給 A 主機的資料包編號是1，長度是200位元組，因此第三次通訊 A 主機的 ACK 是201，第四次通訊 B 主機的資料包編號也是201)

即使對於頻寬很大、線路很好的連線，TCP 也總是從10個資料包開始慢慢試，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。