[网络协议]网络怎样连接的：第二章(上) 一条TCP连接的生命周期 | CSDN创作打卡

全书基于一个简单场景：用户向浏览器输入一条URL到响应返回，一条网络请求的生命周期。

全书分六部分：

1. 应用层客户端生成HTTP，委托给操作系统的协议栈
2. 协议栈（TCP/IP模块）调用网卡驱动生成电信号
3. 网卡如何通过路由器到达用于接入互联网的路由器
4. 互联网内部接力传输
5. 到达web服务器之后先通过防火墙的检查
6. web服务器是如何收取数据的

第二章主要介绍，操作系统中的协议栈和网卡是如何将应用程序的消息发给服务器的：

1. 创建套接字
2. 连接服务器
3. 收发数据
4. 从服务器断开连接并删除套接字
5. IP与以太网的包收发操作
6. 用UDP收发数据的操作
   本文介绍1至4，以及TCP模块的整个生命周期。

主要看点如下：

1. 协议栈的内部结构
2. 套接字的实体是什么？有什么工具能直接观察到吗？
3. “连接”的过程中发生了什么？
4. 收发数据时的具体工作流程。
5. “断开”的过程中发生了什么？

0. 概述

开始探索之前梳理了几个概念：
协议栈的内部结构；
套接字实体
TCP的生命周期

0.1 协议栈的内部结构

所谓协议栈分成上下两部分，

1. 接收应用程序委托收发数据的TCP UDP模块。
2. 控制网络包发送的IP模块，IP模块包含ICMP协议和ARP协议
3. 网卡驱动负责控制网卡硬件，用于监听发送网线中的光电信号

浏览器，邮件等一般应用程序一般用TCP
DNS查询等收发较短的控制数据一般用UDP

0.2 套接字的实体

先用 netstat 直观的感受一下

套接字：协议栈中用于存放控制信息的内存空间
控制信息：协议类型 ip地址 端口号 状态…

套接字中记录了通信双方的信息以及通信所处的状态，
而协议栈是根据套接字中的控制信息来工作的

0.3 TCP 生命周期

rfc793#section-3.2

 一条连接在其生命周期中会经历一系列的状态. 
LISTEN, SYN-SENT, SYN-RECEIVED, ESTABLISHED, 
FIN-WAIT-1, FIN-WAIT-2, CLOSE-WAIT, CLOSING, LAST-ACK, TIME-WAIT, 
CLOSED.  

CLOSED 是虚拟的一种状态。在状态机上表示连接不存在。
TCB: transmission control block, 通信控制块，即套接字中保存的通信信息

详解三次握手,四次挥手

TCP 状态机:

                              +---------+ ---------\      active OPEN
                              |  CLOSED |            \    -----------
                              +---------+<---------\   \   create TCB
                                |     ^              \   \  snd SYN
                   passive OPEN |     |   CLOSE        \   \
                   ------------ |     | ----------       \   \
                    create TCB  |     | delete TCB         \   \
                                V     |                      \   \
                              +---------+            CLOSE    |    \
                              |  LISTEN |          ---------- |     |
                              +---------+          delete TCB |     |
                   rcv SYN      |     |     SEND              |     |
                  -----------   |     |    -------            |     V
 +---------+      snd SYN,ACK  /       \   snd SYN          +---------+
 |         |<-----------------           ------------------>|         |
 |   SYN   |                    rcv SYN                     |   SYN   |
 |   RCVD  |<-----------------------------------------------|   SENT  |
 |         |                    snd ACK                     |         |
 |         |------------------           -------------------|         |
 +---------+   rcv ACK of SYN  \       /  rcv SYN,ACK       +---------+
   |           --------------   |     |   -----------
   |                  x         |     |     snd ACK
   |                            V     V
   |  CLOSE                   +---------+
   | -------                  |  ESTAB  |
   | snd FIN                  +---------+
   |                   CLOSE    |     |    rcv FIN
   V                  -------   |     |    -------
 +---------+          snd FIN  /       \   snd ACK          +---------+
 |  FIN    |<-----------------           ------------------>|  CLOSE  |
 | WAIT-1  |------------------                              |   WAIT  |
 +---------+          rcv FIN  \                            +---------+
   | rcv ACK of FIN   -------   |                            CLOSE  |
   | --------------   snd ACK   |                           ------- |
   V        x                   V                           snd FIN V
 +---------+                  +---------+                   +---------+
 |FINWAIT-2|                  | CLOSING |                   | LAST-ACK|
 +---------+                  +---------+                   +---------+
   |                rcv ACK of FIN |                 rcv ACK of FIN |
   |  rcv FIN       -------------- |    Timeout=2MSL -------------- |
   |  -------              x       V    ------------        x       V
    \ snd ACK                 +---------+delete TCB         +---------+
     ------------------------>|TIME WAIT|------------------>| CLOSED  |
                              +---------+                   +---------+

结合TCP的生命周期分析连接的创建、连接、收发、断开流程。

1. 创建套接字

int socket(int af, int type, int protocol);

af：地址族，即IP地址类型，常用的有 AF_INET 和 AF_INET6
  AF_INET 代表 IPv4，例如 127.0.0.1
  AF_INET6 代表 IPv6，例如 1030::C9B4:FF12:48AA:1A2B
type：数据传输方式/套接字类型，常用的有 SOCK_STREAM，SOCK_STREAM
  SOCK_STREAM 流格式套接字/面向连接的套接字 
  SOCK_DGRAM 数据报套接字/无连接的套接字
protocol：传输协议，常用的有 IPPROTO_TCP 和 IPPTOTO_UDP
  IPPROTO_TCP：TCP 传输协议 
  IPPTOTO_UDP：UDP 传输协议
返回值：描述符

详见 socket()函数详解，介绍了 linux windows 两种版本

创建套接字的工作流程

1. 向内存管理器申请一块内存 --> malloc()
2. 初始化控制信息（协议类型 ip地址 端口）
3. 返回描述符给应用程序，用于唯一标识套接字（控制信息），后续通信应用程序与协议栈交互会带上描述符。

2. 连接服务器

连接是什么

int connect(int sock, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);
sock		套接字文件描述符
serv_addr	地址族 ip port
addrlen		serv_addr 大小

这个连接的语境是协议栈，因为对于网线而言，信号一直是有的。
在连接阶段，套接字刚创建，对协议栈来说，还不知道通信对象是谁，这个阶段客户端会向服务端传达开始通信的请求，互相交换控制信息。
因此把这个阶段称为准备阶段，也许更加合适。

连接时做了什么：

1. 应用程序将服务端ip port交给协议栈
2. 协议栈发起开始通信的请求
3. 交互控制信息
4. 开辟收发数据的缓冲区

负责保存控制信息的头部

通信操作中的控制信息分两类：

1. 客户端与服务器互相联络时交换的控制信息。即各类协议的头部，TCP、IP、MAC。头部用于记录和交换控制信息
2. 保存于套接字中，用于控制协议栈操作的信息。从应用程序传递来的信息以及从通信对象接收到的信息。

对于套接字中的控制信息，不同协议栈有不同实现，只要通信时按规定生成协议头部即可。

TCP头部信息：

原文：https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc793.html#section-3.1

    0                   1                   2                   3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |          Source Port          |       Destination Port        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                        Sequence Number                        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Acknowledgment Number                      |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |  Data |           |U|A|P|R|S|F|                               |
   | Offset| Reserved  |R|C|S|S|Y|I|            Window             |
   |       |           |G|K|H|T|N|N|                               |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |           Checksum            |         Urgent Pointer        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Options                    |    Padding    |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                             data                              |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

控制信息：

通信操作中的控制信息分两类：
1. 头部中记录的信息
2. 套接字（协议栈中的内存空间）中记录的信息

可用netstat查看套接字
使用 wireshark（windows） 或 tcpdump（linux） 查看协议头

3.收发数据

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes);
fd		文件描述符

write() 函数会将缓冲区 buf 中的 nbytes 个字节写入文件描述符 fd 对应的缓冲区中，成功则返回写入的字节数，失败则返回 -1。

应用程序调用协议栈后，并不会立马发送。先存入的套接字对应的收发缓冲区，满足一定条件后再发：

1. 缓冲区数据长度大于等于MSS再发送
2. 时间：协议内部有个计时器，经过一定时间就发送

MTU = 头部大小（TCP IP头部，一般为40字节）+ MSS
MTU Maximun Transmission unit 最大传输单元
MSS Maximun Segment Size 最大分段大小

长度优先，则吞吐大，延时高
时间优先，则延迟低，吞吐小

<-------- MTU -------->
| IP头 | TCP头 | 数据 |
 			  <- MSS ->

写缓冲，读缓存.

类似的应用场景：
数据库的持久化机制。
reids，mysql 的异步刷盘
kafka 生产者的异步发送等

对较大的数据进行拆分

如果请求的消息过大会被拆分成多个网络包。
由TCP模块添加TCP头部，IP模块添加IP头部和MAC头部。

ACK重传机制

TCP头部中有三个属性用于ACK的重传机制：

序号
ACK号
数据偏移量

序号：可以表示当前网络包数据的第一个字符在整个消息中的位置。
数据偏移量：数据开始的位置
通过TCP包总长度和数据偏移量可以算出数据的长度
ACK号：序号+数据长度

客户端发送数据后，服务端会返回ACK号。如果超过一定时间没收到则重发。
重发几次没有收到ACK包，返回报错给应用程序。

因为TCP模块的重传功能，网卡路由器收到错误的网络包后会直接丢弃。

调整ACK号的超时时间

当网络繁忙时会发生拥塞，ACK返回变慢，如果超时时间较短，会导致频繁的重试加重拥塞。
TCP采用了动态调整超时时间的的方法。如果ACK号返回变慢，相应的延长超时时间，如果ACK号返回快，缩短超时时间

由于计算机的时间精度低，过短的超时时间无法准确的测量。基本会调整到0.5秒至1秒

使用窗口管理ACK号

如果发送网络包后等待ACK号的到达，再发送发一个网络包。在等待ACK的时候什么也做不了，实在是太浪费时间了。
为了提升效率，TCP使用滑动窗口的方式管理数据发送和ACK号。

滑动窗口对应协议栈的收发缓冲区，对应TCP头部的窗口属性，连接双方会交互窗口大小（缓冲区的大小）。

工作方式：

接收方告知发送方，剩余窗口大小。
发送方根据窗口大小连续发送网络包。
接收方将缓冲区的数据处理完毕后，会告诉发送方缓冲区当前剩余的窗口大小。

ACK 与窗口的合并

接收方何时发送ACK和窗口给发送方？

一，更新窗口大小的时机？

1. 接收方从缓存中取出数据并传给应用应用程序
2. 接收方TCP连接阶段交互窗口大小

二，返回ACK的时机
数据到达接收方，存入缓冲区之后。就可以返回ACK号了。

每收到一个网络包就发送ACK和窗口，会导致网络效率下降。
因此，接收方发送ACK和窗口更新时会等待一段时间，需要连续发送多个ACK号和窗口更新包时发送最后一个ACK号或窗口大小即可。

4.从服务器断开并删除套接字

经过四次挥手连接进入TIME_WAIT状态，等待2MSL后，删除套接字。

MSL 是什么？

MSL：Maximum Segment Lifetime 网络包最长存活时间（见 RFC793）
TCP段在网络系统中存在的时间，定义为2分钟，是个工程经验值。linux通常默认设为30秒（若端口数量为60000，等待时间30秒，则短连接情况下，一个监听端口最大qps为2000）。

为什么需要等2MSL

发送网络包，返回ACK各需要一个MSL

为什么要等2MSL，再删除套接字

等待是为了防止误操作，举个简单的例子

1. 客户端发送 FIN
2. 服务端返回 ACK
3. 服务器发送 FIN
4. 客户端返回 ACK
   若第四步客户端返回的ACK丢失了，服务端会重发FIN，此时客户端新建了具有相同端口号的套接字，收到了服务器重发的FIN之后，进入断开连接阶段。