网络编程懒人入门(三)：快速理解TCP协议一篇就够

原作者：阮一峰(ruanyifeng.com），本文由即时通讯网重新整理发布，感谢原作者的无私分享。

1、前言

本系列文章的前两篇《网络编程懒人入门(一)：快速理解网络通信协议（上篇）》、《网络编程懒人入门(二)：快速理解网络通信协议（下篇）》快速介绍了网络基本通信协议及理论基础，建议开始阅读本文前先读完此2篇文章。

TCP 是互联网的核心协议之一，鉴于它的重要性，本文将单独介绍它的基础知识，希望能加深您对TCP协议的理解。

老规矩，为了让文字尽量通俗易懂、不浪费你的脑细胞，本文尽量点到为止，不对理论进行深入挖掘，如需深入理论细节，请参见下方参考资料中有关TCP协议的详细介绍和学习文章。

群神镇楼：

2、系列文章

本文是系列文章中的第3篇，本系列文章的大纲如下：

• 《网络编程懒人入门(一)：快速理解网络通信协议（上篇）》
• 《网络编程懒人入门(二)：快速理解网络通信协议（下篇）》
• 《网络编程懒人入门(三)：快速理解TCP协议一篇就够》（本文）
• 《网络编程懒人入门(四)：快速理解TCP和UDP的差异》
• 《网络编程懒人入门(五)：快速理解为什么说UDP有时比TCP更有优势》
• 《网络编程懒人入门(六)：史上最通俗的集线器、交换机、路由器功能原理入门》
• 《网络编程懒人入门(七)：深入浅出，全面理解HTTP协议》
• 《网络编程懒人入门(八)：手把手教你写基于TCP的Socket长连接》
• 《网络编程懒人入门(九)：通俗讲解，有了IP地址，为何还要用MAC地址？》
  

本站的《脑残式网络编程入门》也适合入门学习，本系列大纲如下：

• 《脑残式网络编程入门(一)：跟着动画来学TCP三次握手和四次挥手》
• 《脑残式网络编程入门(二)：我们在读写Socket时，究竟在读写什么？》
• 《脑残式网络编程入门(三)：HTTP协议必知必会的一些知识》
• 《脑残式网络编程入门(四)：快速理解HTTP/2的服务器推送(Server Push)》
  

如果您觉得本系列文章过于基础，您可直接阅读《不为人知的网络编程》系列文章，该系列目录如下：

• 《不为人知的网络编程(一)：浅析TCP协议中的疑难杂症(上篇)》
• 《不为人知的网络编程(二)：浅析TCP协议中的疑难杂症(下篇)》
• 《不为人知的网络编程(三)：关闭TCP连接时为什么会TIME_WAIT、CLOSE_WAIT》
• 《不为人知的网络编程(四)：深入研究分析TCP的异常关闭》
• 《不为人知的网络编程(五)：UDP的连接性和负载均衡》
• 《不为人知的网络编程(六)：深入地理解UDP协议并用好它》
• 《不为人知的网络编程(七)：如何让不可靠的UDP变的可靠？》
• 《不为人知的网络编程(八)：从数据传输层深度解密HTTP》
• 《不为人知的网络编程(九)：理论联系实际，全方位深入理解DNS》
  

关于移动端网络特性及优化手段的总结性文章请见：

• 《现代移动端网络短连接的优化手段总结：请求速度、弱网适应、安全保障》
• 《移动端IM开发者必读(一)：通俗易懂，理解移动网络的“弱”和“慢”》
• 《移动端IM开发者必读(二)：史上最全移动弱网络优化方法总结》
  

3、参考资料

《TCP/IP详解 - 第11章·UDP：用户数据报协议》
《TCP/IP详解 - 第17章·TCP：传输控制协议》
《TCP/IP详解 - 第18章·TCP连接的建立与终止》
《TCP/IP详解 - 第21章·TCP的超时与重传》
《通俗易懂-深入理解TCP协议（上）：理论基础》
《通俗易懂-深入理解TCP协议（下）：RTT、滑动窗口、拥塞处理》
《理论经典：TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解》
《理论联系实际：Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次挥手过程》
《计算机网络通讯协议关系图（中文珍藏版）》
《高性能网络编程(一)：单台服务器并发TCP连接数到底可以有多少》
《高性能网络编程(二)：上一个10年，著名的C10K并发连接问题》
《高性能网络编程(三)：下一个10年，是时候考虑C10M并发问题了》
《高性能网络编程(四)：从C10K到C10M高性能网络应用的理论探索》
《简述传输层协议TCP和UDP的区别》
《为什么QQ用的是UDP协议而不是TCP协议？》
《移动端即时通讯协议选择：UDP还是TCP？》

4、TCP 协议的作用

互联网由一整套协议构成。TCP 只是其中的一层，有着自己的分工。


▲ TCP 是以太网协议和 IP 协议的上层协议，也是应用层协议的下层协议

最底层的以太网协议（Ethernet）规定了电子信号如何组成数据包（packet），解决了子网内部的点对点通信。


▲ 以太网协议解决了局域网的点对点通信

但是，以太网协议不能解决多个局域网如何互通，这由 IP 协议解决。


▲ IP 协议可以连接多个局域网

IP 协议定义了一套自己的地址规则，称为 IP 地址。它实现了路由功能，允许某个局域网的 A 主机，向另一个局域网的 B 主机发送消息。


▲ 路由器就是基于 IP 协议。局域网之间要靠路由器连接

路由的原理很简单。市场上所有的路由器，背后都有很多网口，要接入多根网线。路由器内部有一张路由表，规定了 A 段 IP 地址走出口一，B 段地址走出口二，......通过这套"指路牌"，实现了数据包的转发。


▲ 本机的路由表注明了不同 IP 目的地的数据包，要发送到哪一个网口（interface）

IP 协议只是一个地址协议，并不保证数据包的完整。如果路由器丢包（比如缓存满了，新进来的数据包就会丢失），就需要发现丢了哪一个包，以及如何重新发送这个包。这就要依靠 TCP 协议。
简单说，TCP 协议的作用是，保证数据通信的完整性和可靠性，防止丢包。

5、TCP 数据包的大小

以太网数据包（packet）的大小是固定的，最初是1518字节，后来增加到1522字节。其中， 1500 字节是负载（payload），22字节是头信息（head）。IP 数据包在以太网数据包的负载里面，它也有自己的头信息，最少需要20字节，所以 IP 数据包的负载最多为1480字节。


▲ IP 数据包在以太网数据包里面，TCP 数据包在 IP 数据包里面

TCP 数据包在 IP 数据包的负载里面。它的头信息最少也需要20字节，因此 TCP 数据包的最大负载是 1480 - 20 = 1460 字节。由于 IP 和 TCP 协议往往有额外的头信息，所以 TCP 负载实际为1400字节左右。因此，一条1500字节的信息需要两个 TCP 数据包。HTTP/2 协议的一大改进， 就是压缩 HTTP 协议的头信息，使得一个 HTTP 请求可以放在一个 TCP 数据包里面，而不是分成多个，这样就提高了速度。


▲ 以太网数据包的负载是1500字节，TCP 数据包的负载在1400字节左右

6、TCP 数据包的编号（SEQ）

一个包1400字节，那么一次性发送大量数据，就必须分成多个包。比如，一个 10MB 的文件，需要发送7100多个包。发送的时候，TCP 协议为每个包编号（sequence number，简称 SEQ），以便接收的一方按照顺序还原。万一发生丢包，也可以知道丢失的是哪一个包。

第一个包的编号是一个随机数。为了便于理解，这里就把它称为1号包。假定这个包的负载长度是100字节，那么可以推算出下一个包的编号应该是101。这就是说，每个数据包都可以得到两个编号：自身的编号，以及下一个包的编号。接收方由此知道，应该按照什么顺序将它们还原成原始文件。


▲ 当前包的编号是45943，下一个数据包的编号是46183，由此可知，这个包的负载是240字节

7、TCP 数据包的组装

收到 TCP 数据包以后，组装还原是操作系统完成的。应用程序不会直接处理 TCP 数据包。对于应用程序来说，不用关心数据通信的细节。除非线路异常，收到的总是完整的数据。应用程序需要的数据放在 TCP 数据包里面，有自己的格式（比如 HTTP 协议）。

TCP 并没有提供任何机制，表示原始文件的大小，这由应用层的协议来规定。比如，HTTP 协议就有一个头信息Content-Length，表示信息体的大小。对于操作系统来说，就是持续地接收 TCP 数据包，将它们按照顺序组装好，一个包都不少。

操作系统不会去处理 TCP 数据包里面的数据。一旦组装好 TCP 数据包，就把它们转交给应用程序。TCP 数据包里面有一个端口（port）参数，就是用来指定转交给监听该端口的应用程序。



系统根据 TCP 数据包里面的端口，将组装好的数据转交给相应的应用程序。上图中，21端口是 FTP 服务器，25端口是 SMTP 服务，80端口是 Web 服务器。

应用程序收到组装好的原始数据，以浏览器为例，就会根据 HTTP 协议的 Content-Length 字段正确读出一段段的数据。这也意味着，一次 TCP 通信可以包括多个 HTTP 通信。

8、慢启动和 ACK

服务器发送数据包，当然越快越好，最好一次性全发出去。但是，发得太快，就有可能丢包。带宽小、路由器过热、缓存溢出等许多因素都会导致丢包。线路不好的话，发得越快，丢得越多。

最理想的状态是，在线路允许的情况下，达到最高速率。但是我们怎么知道，对方线路的理想速率是多少呢？答案就是慢慢试。

TCP 协议为了做到效率与可靠性的统一，设计了一个慢启动（slow start）机制。开始的时候，发送得较慢，然后根据丢包的情况，调整速率：如果不丢包，就加快发送速度；如果丢包，就降低发送速度。

Linux 内核里面设定了（常量TCP_INIT_CWND），刚开始通信的时候，发送方一次性发送10个数据包，即"发送窗口"的大小为10。然后停下来，等待接收方的确认，再继续发送。默认情况下，接收方每收到两个 TCP 数据包，就要发送一个确认消息。"确认"的英语是 acknowledgement，所以这个确认消息就简称 ACK。

ACK 携带两个信息：

• 1）期待要收到下一个数据包的编号；
• 2）接收方的接收窗口的剩余容量。
  

发送方有了这两个信息，再加上自己已经发出的数据包的最新编号，就会推测出接收方大概的接收速度，从而降低或增加发送速率。这被称为"发送窗口"，这个窗口的大小是可变的。


▲ 每个 ACK 都带有下一个数据包的编号，以及接收窗口的剩余容量，双方都会发送 ACK

注意：由于 TCP 通信是双向的，所以双方都需要发送 ACK。两方的窗口大小，很可能是不一样的。而且 ACK 只是很简单的几个字段，通常与数据合并在一个数据包里面发送。



上图一共4次通信。第一次通信，A 主机发给B 主机的数据包编号是1，长度是100字节，因此第二次通信 B 主机的 ACK 编号是 1 + 100 = 101，第三次通信 A 主机的数据包编号也是 101。同理，第二次通信 B 主机发给 A 主机的数据包编号是1，长度是200字节，因此第三次通信 A 主机的 ACK 是201，第四次通信 B 主机的数据包编号也是201。

即使对于带宽很大、线路很好的连接，TCP 也总是从10个数据包开始慢慢试，过了一段时间以后，才达到最高的传输速率。这就是 TCP 的慢启动。

9、数据包的遗失处理

TCP 协议可以保证数据通信的完整性，这是怎么做到的？

前面说过，每一个数据包都带有下一个数据包的编号。如果下一个数据包没有收到，那么 ACK 的编号就不会发生变化。

举例来说，现在收到了4号包，但是没有收到5号包。ACK 就会记录，期待收到5号包。过了一段时间，5号包收到了，那么下一轮 ACK 会更新编号。如果5号包还是没收到，但是收到了6号包或7号包，那么 ACK 里面的编号不会变化，总是显示5号包。这会导致大量重复内容的 ACK。

如果发送方发现收到三个连续的重复 ACK，或者超时了还没有收到任何 ACK，就会确认丢包，即5号包遗失了，从而再次发送这个包。通过这种机制，TCP 保证了不会有数据包丢失。


▲ Host B 没有收到100号数据包，会连续发出相同的 ACK，触发 Host A 重发100号数据包

（原文链接：点此进入，有改动）

附录：更多网络编程资料

《技术往事：改变世界的TCP/IP协议（珍贵多图、手机慎点）》
《UDP中一个包的大小最大能多大？》
《Java新一代网络编程模型AIO原理及Linux系统AIO介绍》
《NIO框架入门(一)：服务端基于Netty4的UDP双向通信Demo演示》
《NIO框架入门(二)：服务端基于MINA2的UDP双向通信Demo演示》
《NIO框架入门(三)：iOS与MINA2、Netty4的跨平台UDP双向通信实战》
《NIO框架入门(四)：Android与MINA2、Netty4的跨平台UDP双向通信实战》
《P2P技术详解(一)：NAT详解——详细原理、P2P简介》
《P2P技术详解(二)：P2P中的NAT穿越(打洞)方案详解》
《P2P技术详解(三)：P2P技术之STUN、TURN、ICE详解》
《通俗易懂：快速理解P2P技术中的NAT穿透原理》
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牛比牛比 我还是改行吧

引用：BKBK 发表于 2017-10-12 16:29
牛比牛比 我还是改行吧

大神镇楼，史上粪量最重的文章。。。

看了这篇，对协议的理解清晰了很多，特别是各个协议的作用！

引用：TeochewZhang 发表于 2017-10-12 22:18
看了这篇，对协议的理解清晰了很多，特别是各个协议的作用！

关于数据包丢失处理有一个疑问：
通过重复的ack，HOSTA能确认第二个包丢失，但如果判断第3、4、5个包是否丢失？如果无法判断，那么HOSTA就需要重新发送3~5包，但实际HOSTB在之前已经接收过，重复发送会导致带宽浪费和网络实时性能下降。望题主大神解答

本文是系列文章中的第1篇，是第三篇

引用：huangshazsw 发表于 2018-07-19 10:00
本文是系列文章中的第1篇，是第三篇

很细心，多谢纠错。已修正！

请教一下，最后一个图，如果收到了重发的100号数据包，HostB会回复一个ack 157还是120？

引用：will 发表于 2018-03-31 12:30
关于数据包丢失处理有一个疑问：
通过重复的ack，HOSTA能确认第二个包丢失，但如果判断第3、4、5个包是否 ...

上面也知道TCP是基于请求问答的，比如客户端已经收到3,4,5号包，客户端本地肯定会有记录，但是他迟迟没有收到2号包，他当然要不断地请求服务器，请求重发第二个包，如果第二个包客户端接收到了，那客户端就查看本地的数据包是否完整，查看还有没有分片没有到达，如果有 他就会ACK请求下一个分片，也就是6号包,如果完整那就ACK 接收完成. （TCP报头的32位序号，和32位确认序号具体好像就是做的这些事情）

慢启动和ACK 窗口

群神的图好高清啊！！！

引用：AndyRon 发表于 2018-11-24 16:25
群神的图好高清啊！！！

应该每日来膜拜一下他们

彷佛发现了网络通信的新大陆