计算机网络传输层详解

传输层

一、TCP 三次握手（以SOCKET的角度）

二、TCP 四次挥手

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1. TIME_WAIT 状态的产生

该状态出现在主动断开方，在主动断开方完成第四次挥手，也就是发送完最后一个ACK报文后，进入 TIME_WAIT 状态，该状态会持续 2MSL 的时长，以确保对方已收到了最后一个ACK报文。

• **MSL：**最大报文存活时长，单位是时间，Linux默认 30s。
• **TTL：**IP报文在网络中允许经过的最大路由数，单位是经过路由数，Linux默认64。

2. TIME_WAIT 为什么要等待 2MSL

2 MSL的时长，相当于：允许报文在网络中丢失一次。

比如：第四挥手ACK报文没有被被动方接收到，1个MSL后该ACK报文在网路中消亡，被动方由于没有收到ACK响应，会启动FIN报文重传，另一方接收到FIN报文，就可以重发ACK报文。这样的一来一回正是 2MSL时长内。

3. TIME_WAIT 过多的危害

在Linux中，某种东西过多一般会意味着：占用系统资源。文件描述符、内存资源、CPU资源等等。

TIME_WAIT 过多的时候，由于与网络有关，所以会有以下两个基本的影响：

1. 占用系统资源，一切皆文件，会占用较多的文件描述符、内存资源。
2. 占用系统端口，端口资源是有限的，linux一般可以开启的端口为 3w-6w。

在以上基本影响外，客户端和服务端的 TIME_WAIT 过多的影响也有不同：

1. 客户端：TCP四元组确定一条连接，所以不能对 目的IP+目的port 相同的服务端发起连接请求，端口耗尽。

2. 服务端：由于TCP四元组确定一条连接，所以服务端可以处理的TCP连接理论上可以非常多，但是TCP连接在服务端会受限于系统资源，文件描述符和内存资源

3. TIME_WAIT 过多如何解决

• **客户端：**可以考虑开启 tcp_tw_reuse 参数，设置为1为开启。当发起新连接的时候，就会复用处于 time_wait的连接。
• 启用后，处于 TIME-WAIT 状态的连接可能被重用。这种重用可能导致新的连接混淆，因为内核会重用一个旧连接的五元组（源 IP、源端口、目的 IP、目的端口和协议），这可能导致数据包被误导。
• **服务端：**说明服务端主动关闭了连接，服务端应该尽量避免主动断开连接，由客户端来进行，可以在应用层设计一个逻辑，当服务端要断开的时候，发送一个消息给客户端，让客户端收到信息后发起断开TCP连接。

5. TIME_WAIT 在服务端大量出现的原因？

相当于： 服务端为什么会主动关闭连接？

1. **没有开启HTTP长连接：**服务端发完HTTP响应后，会主动关闭连接。

2. **HTTP长连接的请求数量设置过小：**web服务端通常会有个参数来定义 HTTP 长连接能处理的最大请求数量，比如 nginx的 keepalive_requests默认是100。QPS高的时候，就会频繁关闭连接，导致time_wait过多。

3. TIME_WAIT 状态设计的目的

设计 TIME_WAIT 状态，主要有两个原因：

1. 防止历史连接中的数据，被后面相同四元组的连接错误的接收（序列号是32位，可能会有序列号绕回导致数据完整性破坏）；
2. 保证「被动关闭连接」的一方，能被正确的关闭（确保有没有收到最后一次挥手）；

假设 TCP 的发送窗口是 1 GB，并且使用了时间戳选项，发送方会为每个 TCP 报文分配时间戳数值，我们假设每个报文时间加 1，然后使用这个连接传输一个 6GB 大小的数据流。

...

32 位的序列号（2^32 = 4 GB）在时刻 D 和 E 之间回绕。假设在时刻B有一个报文丢失并被重传，又假设这个报文段在网络上绕了远路并在时刻 F 重新出现。如果 TCP 无法识别这个绕回的报文，那么数据完整性就会遭到破坏。

7. TCP_TW_REUSE 为什么默认关闭

• 开启 tcp_tw_reuse 的同时，也需要开启tcp_timestamps。
• 开启了 tcp_timestamps参数，TCP 头部就会使用时间戳选项，它有两个好处，一个是便于精确计算 RTT ，另一个是能防止序列号回绕（PAWS）。

默认关闭的原因：

启用后，处于 TIME-WAIT 状态的连接可能被重用。这种重用可能导致新的连接混淆，因为内核会重用一个旧连接的五元组（源 IP、源端口、目的 IP、目的端口和协议），这可能导致数据包被误导。

三、TCP长连接、HTTP长连接 的保活机制

• **TCP长连接保活：**通过探测报文来检测连接状态。这是传输层的机制，独立于应用层的具体协议。
• **HTTP长连接保活：**通过Connection: keep-alive和Keep-Alive头部字段来管理连接的持久性和空闲超时。

Connection: keep-alive
Keep-Alive: timeout=5, max=100

HTTP长连接的保活实际上是由两部分组成的：应用层的HTTP保活机制和传输层的TCP保活机制。

• HTTP保活负责管理HTTP请求/响应的连接复用和空闲超时
• TCP保活负责确保底层连接的持续有效性。如果TCP连接因任何原因断开，HTTP长连接也会失效。

三、socket 五元组

1. 源IP地址
2. 目的IP地址
3. 源端口号
4. 目的端口号
5. 传输协议（通常是TCP或UDP）

常说的TCP四元组，是指默认 传输协议固定为TCP的情况下讨论的。

也可以得出，tcp/udp可以使用同一个端口。因为传输协议不同，不会认为是相同的连接。

四、传输层的报文

1. 端口

tcp和udp都有端口字段，用于区分同一主机的不同应用程序的数据包。