TCP协议要点和难点全解

www.net130.com     日期:2014-10-15    浏览次数:
出处:codeceo 码农网

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。

本新闻共6页,当前在第1页  1  2  3  4  5  6  

分享道
相关新闻