TCP协议要点和难点全解(1)

TCP协议要点和难点全解(1)

1.网络协议设计

ISO提出了OSI分层网络模型，这种分层模型是理论上的，TCP/IP最终实现了一个分层的协议模型，每一个层次对应一组网络协议完成一组特定的功能，该组网络协议被其下的层次复用和解复用。这就是分层模型的本质，最终所有的逻辑被编码到线缆或者电磁波。

分层模型是很好理解的，然而对于每一层的协议设计却不是那么容易。TCP/IP的漂亮之处在于：协议越往上层越复杂。我们把网络定义为互相连接在一起的设备，网络的本质作用还是“端到端”的通信，然而希望互相通信的设备并不一定要“直接”连接在一起，因此必然需要一些中间的设备负责转发数据，因此就把连接这些中间设备的线缆上跑的协议定义为链路层协议，实际上所谓链路其实就是始发与一个设备，通过一根线，终止于另一个设备。我们把一条链路称为“一跳”。因此一个端到端的网络包含了“很多跳”。

2.TCP和IP协议

终止于IP协议，我们已经可以完成一个端到端的通信，为何还需要TCP协议?这是一个问题，理解了这个问题，我们就能理解TCP协议为何成了现在这个样子，为何如此“复杂”，为何又如此简单。

正如其名字所展示的那样，TCP的作用是传输控制，也就是控制端到端的传输，那为何这种控制不在IP协议中实现的。答案很简单，那就是这会增加IP协议的复杂性，而IP协议需要的就是简单。这是什么原因造成的呢?

首先我们认识一下为何IP协议是沙漏的细腰部分。它的下层是繁多的链路层协议，这些链路提供了相互截然不同且相差很远的语义，为了互联这些异构的网络，我们需要一个网络层协议起码要提供一些适配的功能，另外它必然不能提供太多的“保证性服务”，因为上层的保证性依赖下层的约束性更强的保证性，你永远无法在一个100M吞吐量的链路之上实现的IP协议保证1000M的吞吐量…

IP协议设计为分组转发协议，每一跳都要经过一个中间节点，路由的设计是TCP/IP网络的另一大创举，这样，IP协议就无需方向性，路由信息和协议本身不再强关联，它们仅仅通过IP地址来关联，因此，IP协议更加简单。路由器作为中间节点也不能太复杂，这涉及到成本问题，因此路由器只负责选路以及转发数据包。

因此传输控制协议必然需要在端点实现。在我们详谈TCP协议之前，首先要看一下它不能做什么，由于IP协议不提供保证，TCP也不能提供依赖于IP下层链路的这种保证，比如带宽，比如时延，这些都是链路层决定的，既然IP协议无法修补，TCP也不能，然而它却能修正始于IP层的一些“不可保证性质”，这些性质包括IP层的不可靠，IP层的不按顺序，IP层的无方向/无连接。

将该小节总结一下，TCP/IP模型从下往上，功能增加，需要实现的设备减少，然而设备的复杂性却在增加，这样保证了成本的最小化，至于性能或者因素，靠软件来调节吧，TCP协议就是这样的软件，实际上最开始的时候，TCP并不考虑性能，效率，公平性，正是考虑了这些，TCP协议才复杂了起来。

3.TCP协议

这是一个纯软件协议，为何将其设计上两个端点，参见上一小节，本节详述TCP协议，中间也穿插一些简短的论述。

3.1.TCP协议

确切的说，TCP协议有两重身份，作为网络协议，它弥补了IP协议尽力而为服务的不足，实现了有连接，可靠传输，报文按序到达。作为一个主机软件，它和UDP以及左右的传输层协议隔离了主机服务和网络，它们可以被看做是一个多路复用/解复用器，将诸多的主机进程数据复用/解复用到IP层。

可以看出，不管从哪个角度，TCP都作为一个接口存在，作为网络协议，它和对端的TCP接口，实现TCP的控制逻辑，作为多路复用/解复用器，它和下层IP协议接口，实现协议栈的功能，而这正是分层网络协议模型的基本定义(两类接口，一类和下层接口，另一类和对等层接口)。

我们习惯于将TCP作为协议栈的最顶端，而不把应用层协议当成协议栈的一部分，这部分是因为应用层被TCP/UDP解复用了之后，呈现出了一种太复杂的局面，应用层协议用一种不同截然不同的方式被解释，应用层协议习惯于用类似ASN.1标准来封装，这正体现了TCP协议作为多路复用/解复用器的重要性，由于直接和应用接口，它可以很容易直接被应用控制，实现不同的传输控制策略，这也是TCP被设计到离应用不太远的地方的原因之一。

总之，TCP要点有四，一曰有连接，二曰可靠传输，三曰数据按照到达，四曰端到端流量控制。注意，TCP被设计时只保证这四点，此时它虽然也有些问题，然而很简单，然而更大的问题很快呈现出来，使之不得不考虑和IP网络相关的东西，比如公平性，效率，因此增加了拥塞控制，这样TCP就成了现在这个样子。

3.2.有连接，可靠传输，数据按序到达的TCP

IP协议是没有方向的，数据报传输能到达对端全靠路由，因此它是一跳一跳地到达对端的，只要有一跳没有到达对端的路由，那么数据传输将失败，其实路由也是互联网的核心之一，实际上IP层提供的核心基本功能有两点，第一点是地址管理，第二点就是路由选路。TCP利用了IP路由这个简单的功能，因此TCP不必考虑选路，这又一个它被设计成端到端协议的原因。

既然IP已经能尽力让单独的数据报到达对端，那么TCP就可以在这种尽力而为的网络上实现其它的更加严格的控制功能。TCP给无连接的IP网络通信增加了连接性，确认了已经发送出去的数据的状态，并且保证了数据的顺序。

3.2.1.有连接

这是TCP的基本，因为后续的传输的可靠性以及数据顺序性都依赖于一条连接，这是最简单的实现方式，因此TCP被设计成一种基于流的协议，既然TCP需要事先建立连接，之后传输多少数据就无所谓了，只要是同一连接的数据能识别出来即可。

● 疑难杂症1：3次握手和4次挥手

TCP使用3次握手建立一条连接，该握手初始化了传输可靠性以及数据顺序性必要的信息，这些信息包括两个方向的初始序列号，确认号由初始序列号生成，使用3次握手是因为3次握手已经准备好了传输可靠性以及数据顺序性所必要的信息，该握手的第3次实际上并不是需要单独传输的，完全可以和数据一起传输。

TCP使用4次挥手拆除一条连接，为何需要4次呢?因为TCP是一个全双工协议，必须单独拆除每一条信道。注意，4次挥手和3次握手的意义是不同的，很多人都会问为何建立连接是3次握手，而拆除连接是4次挥手。

3次握手的目的很简单，就是分配资源，初始化序列号，这时还不涉及数据传输，3次就足够做到这个了，而4次挥手的目的是终止数据传输，并回收资源，此时两个端点两个方向的序列号已经没有了任何关系，必须等待两方向都没有数据传输时才能拆除虚链路，不像初始化时那么简单，发现SYN标志就初始化一个序列号并确认SYN的序列号。因此必须单独分别在一个方向上终止该方向的数据传输。