tcp通訊一次最多能發送多少數據?_關于TCP/IP，必須知道的十個知識點

本文整理了一些TCP/IP協議簇中需要必知必會的十大問題，既是面試高頻問題，又是程序員必備基礎素養。

一、TCP/IP模型

TCP/IP協議模型（Transmission Control Protocol/Internet Protocol），包含了一系列構成互聯網基礎的網絡協議，是Internet的核心協議。

基于TCP/IP的參考模型將協議分成四個層次，它們分別是鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。下圖表示TCP/IP模型與OSI模型各層的對照關系。

TCP/IP協議族按照層次由上到下，層層包裝。最上面的是應用層，這里面有http，ftp,等等我們熟悉的協議。而第二層則是傳輸層，著名的TCP和UDP協議就在這個層次。第三層是網絡層，IP協議就在這里，它負責對數據加上IP地址和其他的數據以確定傳輸的目標。第四層是數據鏈路層，這個層次為待傳送的數據加入一個以太網協議頭，并進行CRC編碼，為最后的數據傳輸做準備。

上圖清楚地表示了TCP/IP協議中每個層的作用，而TCP/IP協議通信的過程其實就對應著數據入棧與出棧的過程。入棧的過程，數據發送方每層不斷地封裝首部與尾部，添加一些傳輸的信息，確保能傳輸到目的地。出棧的過程，數據接收方每層不斷地拆除首部與尾部，得到最終傳輸的數據。

上圖以HTTP協議為例，具體說明。

分享一個在騰訊課堂上tcp/ip的訓練營的視頻。

主要內容：1. 如何實現單機百萬連接；2. 如何優化三次握手、四次揮手；3. 如何優化TCP的傳輸速率；4. nginx零拷貝技術的實現；5. epoll原理剖析和面試必問的問題。

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視頻鏈接：https://ke.qq.com/course/2739583?flowToken=1024361

二、數據鏈路層

物理層負責0、1比特流與物理設備電壓高低、光的閃滅之間的互換。數據鏈路層負責將0、1序列劃分為數據幀從一個節點傳輸到臨近的另一個節點,這些節點是通過MAC來唯一標識的(MAC,物理地址，一個主機會有一個MAC地址)。

封裝成幀: 把網絡層數據包加頭和尾，封裝成幀,幀頭中包括源MAC地址和目的MAC地址。
透明傳輸:零比特填充、轉義字符。
可靠傳輸: 在出錯率很低的鏈路上很少用，但是無線鏈路WLAN會保證可靠傳輸。
差錯檢測(CRC):接收者檢測錯誤,如果發現差錯，丟棄該幀。

三、網絡層

1.IP協議

IP協議是TCP/IP協議的核心，所有的TCP，UDP，IMCP，IGMP的數據都以IP數據格式傳輸。要注意的是，IP不是可靠的協議，這是說，IP協議沒有提供一種數據未傳達以后的處理機制，這被認為是上層協議：TCP或UDP要做的事情。

1.1 IP地址

在數據鏈路層中我們一般通過MAC地址來識別不同的節點，而在IP層我們也要有一個類似的地址標識，這就是IP地址。

32位IP地址分為網絡位和地址位，這樣做可以減少路由器中路由表記錄的數目，有了網絡地址，就可以限定擁有相同網絡地址的終端都在同一個范圍內，那么路由表只需要維護一條這個網絡地址的方向，就可以找到相應的這些終端了。

A類IP地址: 0.0.0.0~127.255.255.255
B類IP地址:128.0.0.0~191.255.255.255
C類IP地址:192.0.0.0~239.255.255.255

1.2 IP協議頭

這里只介紹:八位的TTL字段。這個字段規定該數據包在穿過多少個路由之后才會被拋棄。某個IP數據包每穿過一個路由器，該數據包的TTL數值就會減少1，當該數據包的TTL成為零，它就會被自動拋棄。

這個字段的最大值也就是255，也就是說一個協議包也就在路由器里面穿行255次就會被拋棄了，根據系統的不同，這個數字也不一樣，一般是32或者是64。

2.ARP及RARP協議

ARP 是根據IP地址獲取MAC地址的一種協議。

ARP（地址解析）協議是一種解析協議，本來主機是完全不知道這個IP對應的是哪個主機的哪個接口，當主機要發送一個IP包的時候，會首先查一下自己的ARP高速緩存（就是一個IP-MAC地址對應表緩存）。

如果查詢的IP－MAC值對不存在，那么主機就向網絡發送一個ARP協議廣播包，這個廣播包里面就有待查詢的IP地址，而直接收到這份廣播的包的所有主機都會查詢自己的IP地址，如果收到廣播包的某一個主機發現自己符合條件，那么就準備好一個包含自己的MAC地址的ARP包傳送給發送ARP廣播的主機。

而廣播主機拿到ARP包后會更新自己的ARP緩存（就是存放IP-MAC對應表的地方）。發送廣播的主機就會用新的ARP緩存數據準備好數據鏈路層的的數據包發送工作。

RARP協議的工作與此相反，不做贅述。

3. ICMP協議

IP協議并不是一個可靠的協議，它不保證數據被送達，那么，自然的，保證數據送達的工作應該由其他的模塊來完成。其中一個重要的模塊就是ICMP(網絡控制報文)協議。ICMP不是高層協議，而是IP層的協議。

當傳送IP數據包發生錯誤。比如主機不可達，路由不可達等等，ICMP協議將會把錯誤信息封包，然后傳送回給主機。給主機一個處理錯誤的機會，這也就是為什么說建立在IP層以上的協議是可能做到安全的原因。

四、ping

ping可以說是ICMP的最著名的應用，是TCP/IP協議的一部分。利用“ping”命令可以檢查網絡是否連通，可以很好地幫助我們分析和判定網絡故障。

例如：當我們某一個網站上不去的時候。通常會ping一下這個網站。ping會回顯出一些有用的信息。一般的信息如下:

ping這個單詞源自聲納定位，而這個程序的作用也確實如此，它利用ICMP協議包來偵測另一個主機是否可達。原理是用類型碼為0的ICMP發請求，受到請求的主機則用類型碼為8的ICMP回應。

ping程序來計算間隔時間，并計算有多少個包被送達。用戶就可以判斷網絡大致的情況。我們可以看到， ping給出來了傳送的時間和TTL的數據。

五、Traceroute

Traceroute是用來偵測主機到目的主機之間所經路由情況的重要工具，也是最便利的工具。

Traceroute的原理是非常非常的有意思，它收到到目的主機的IP后，首先給目的主機發送一個TTL=1的UDP數據包，而經過的第一個路由器收到這個數據包以后，就自動把TTL減1，而TTL變為0以后，路由器就把這個包給拋棄了，并同時產生一個主機不可達的ICMP數據報給主機。主機收到這個數據報以后再發一個TTL=2的UDP數據報給目的主機，然后刺激第二個路由器給主機發ICMP數據報。如此往復直到到達目的主機。這樣，traceroute就拿到了所有的路由器IP。

六、TCP/UDP

TCP/UDP都是是傳輸層協議，但是兩者具有不同的特性，同時也具有不同的應用場景，下面以圖表的形式對比分析。

面向報文

面向報文的傳輸方式是應用層交給UDP多長的報文，UDP就照樣發送，即一次發送一個報文。因此，應用程序必須選擇合適大小的報文。若報文太長，則IP層需要分片，降低效率。若太短，會是IP太小。

面向字節流

面向字節流的話，雖然應用程序和TCP的交互是一次一個數據塊（大小不等），但TCP把應用程序看成是一連串的無結構的字節流。TCP有一個緩沖，當應用程序傳送的數據塊太長，TCP就可以把它劃分短一些再傳送。

關于擁塞控制，流量控制，是TCP的重點，后面講解。

TCP和UDP協議的一些應用

什么時候應該使用TCP？

當對網絡通訊質量有要求的時候，比如：整個數據要準確無誤的傳遞給對方，這往往用于一些要求可靠的應用，比如HTTP、HTTPS、FTP等傳輸文件的協議，POP、SMTP等郵件傳輸的協議。

什么時候應該使用UDP？

當對網絡通訊質量要求不高的時候，要求網絡通訊速度能盡量的快，這時就可以使用UDP。

七、DNS

DNS（Domain Name System，域名系統），因特網上作為域名和IP地址相互映射的一個分布式數據庫，能夠使用戶更方便的訪問互聯網，而不用去記住能夠被機器直接讀取的IP數據。通過主機名，最終得到該主機名對應的IP地址的過程叫做域名解析（或主機名解析）。DNS協議運行在UDP協議之上，使用端口號53。

八、TCP連接的建立與終止

1.三次握手

TCP是面向連接的，無論哪一方向另一方發送數據之前，都必須先在雙方之間建立一條連接。在TCP/IP協議中，TCP協議提供可靠的連接服務，連接是通過三次握手進行初始化的。三次握手的目的是同步連接雙方的序列號和確認號并交換 TCP窗口大小信息。

第一次握手：建立連接。客戶端發送連接請求報文段，將SYN位置為1，Sequence Number為x；然后，客戶端進入SYN_SEND狀態，等待服務器的確認；

第二次握手：服務器收到SYN報文段。服務器收到客戶端的SYN報文段，需要對這個SYN報文段進行確認，設置Acknowledgment Number為x+1(Sequence Number+1)；同時，自己自己還要發送SYN請求信息，將SYN位置為1，Sequence Number為y；服務器端將上述所有信息放到一個報文段（即SYN+ACK報文段）中，一并發送給客戶端，此時服務器進入SYN_RECV狀態；

第三次握手：客戶端收到服務器的SYN+ACK報文段。然后將Acknowledgment Number設置為y+1，向服務器發送ACK報文段，這個報文段發送完畢以后，客戶端和服務器端都進入ESTABLISHED狀態，完成TCP三次握手。

為什么要三次握手？

為了防止已失效的連接請求報文段突然又傳送到了服務端，因而產生錯誤。

具體例子：“已失效的連接請求報文段”的產生在這樣一種情況下：client發出的第一個連接請求報文段并沒有丟失，而是在某個網絡節點長時間的滯留了，以致延誤到連接釋放以后的某個時間才到達server。本來這是一個早已失效的報文段。但server收到此失效的連接請求報文段后，就誤認為是client再次發出的一個新的連接請求。于是就向client發出確認報文段，同意建立連接。假設不采用“三次握手”，那么只要server發出確認，新的連接就建立了。由于現在client并沒有發出建立連接的請求，因此不會理睬server的確認，也不會向server發送數據。但server卻以為新的運輸連接已經建立，并一直等待client發來數據。這樣，server的很多資源就白白浪費掉了。采用“三次握手”的辦法可以防止上述現象發生。例如剛才那種情況，client不會向server的確認發出確認。server由于收不到確認，就知道client并沒有要求建立連接。”

2.四次揮手

當客戶端和服務器通過三次握手建立了TCP連接以后，當數據傳送完畢，肯定是要斷開TCP連接的啊。那對于TCP的斷開連接，這里就有了神秘的“四次分手”。

第一次分手：主機1（可以是客戶端，也可以是服務器端），設置Sequence Number，向主機2發送一個FIN報文段；此時，主機1進入FIN_WAIT_1狀態；這表示主機1沒有數據要發送給主機2了；

第二次分手：主機2收到了主機1發送的FIN報文段，向主機1回一個ACK報文段，Acknowledgment Number為Sequence Number加1；主機1進入FIN_WAIT_2狀態；主機2告訴主機1，我“同意”你的關閉請求；

第三次分手：主機2向主機1發送FIN報文段，請求關閉連接，同時主機2進入LAST_ACK狀態；

第四次分手：主機1收到主機2發送的FIN報文段，向主機2發送ACK報文段，然后主機1進入TIME_WAIT狀態；主機2收到主機1的ACK報文段以后，就關閉連接；此時，主機1等待2MSL后依然沒有收到回復，則證明Server端已正常關閉，那好，主機1也可以關閉連接了。

為什么要四次分手？

TCP協議是一種面向連接的、可靠的、基于字節流的運輸層通信協議。TCP是全雙工模式，這就意味著，當主機1發出FIN報文段時，只是表示主機1已經沒有數據要發送了，主機1告訴主機2，它的數據已經全部發送完畢了；但是，這個時候主機1還是可以接受來自主機2的數據；當主機2返回ACK報文段時，表示它已經知道主機1沒有數據發送了，但是主機2還是可以發送數據到主機1的；當主機2也發送了FIN報文段時，這個時候就表示主機2也沒有數據要發送了，就會告訴主機1，我也沒有數據要發送了，之后彼此就會愉快的中斷這次TCP連接。

為什么要等待2MSL？

MSL：報文段最大生存時間，它是任何報文段被丟棄前在網絡內的最長時間。

原因有二：

保證TCP協議的全雙工連接能夠可靠關閉
保證這次連接的重復數據段從網絡中消失

第一點：如果主機1直接CLOSED了，那么由于IP協議的不可靠性或者是其它網絡原因，導致主機2沒有收到主機1最后回復的ACK。那么主機2就會在超時之后繼續發送FIN，此時由于主機1已經CLOSED了，就找不到與重發的FIN對應的連接。所以，主機1不是直接進入CLOSED，而是要保持TIME_WAIT，當再次收到FIN的時候，能夠保證對方收到ACK，最后正確的關閉連接。

第二點：如果主機1直接CLOSED，然后又再向主機2發起一個新連接，我們不能保證這個新連接與剛關閉的連接的端口號是不同的。也就是說有可能新連接和老連接的端口號是相同的。一般來說不會發生什么問題，但是還是有特殊情況出現：假設新連接和已經關閉的老連接端口號是一樣的，如果前一次連接的某些數據仍然滯留在網絡中，這些延遲數據在建立新連接之后才到達主機2，由于新連接和老連接的端口號是一樣的，TCP協議就認為那個延遲的數據是屬于新連接的，這樣就和真正的新連接的數據包發生混淆了。所以TCP連接還要在TIME_WAIT狀態等待2倍MSL，這樣可以保證本次連接的所有數據都從網絡中消失。

九、TCP流量控制

如果發送方把數據發送得過快，接收方可能會來不及接收，這就會造成數據的丟失。所謂流量控制就是讓發送方的發送速率不要太快，要讓接收方來得及接收。

利用滑動窗口機制可以很方便地在TCP連接上實現對發送方的流量控制。

設A向B發送數據。在連接建立時，B告訴了A：“我的接收窗口是 rwnd = 400 ”(這里的 rwnd 表示 receiver window) 。因此，發送方的發送窗口不能超過接收方給出的接收窗口的數值。請注意，TCP的窗口單位是字節，不是報文段。假設每一個報文段為100字節長，而數據報文段序號的初始值設為1。大寫ACK表示首部中的確認位ACK，小寫ack表示確認字段的值ack。

從圖中可以看出，B進行了三次流量控制。第一次把窗口減少到 rwnd = 300 ，第二次又見到了 rwnd = 100 ，最后減到 rwnd = 0 ，即不允許發送方再發送數據了。這種使發送方暫停發送的狀態將持續到主機B重新發出一個新的窗口值為止。B向A發送的三個報文段都設置了 ACK = 1 ，只有在ACK=1時確認好字段才有意義。

TCP為每一個連接設有一個持續計時器(persistence timer)。只要TCP連接的一方收到對方的零窗口通知，就啟動持續計時器。若持續計時器設置的時間到期，就發送一個零窗口控測報文段（寫1字節的數據），那么收到這個報文段的一方就重新設置持續計時器。

十、TCP擁塞控制

1.慢開始和擁塞避免

發送方維持一個擁塞窗口 cwnd ( congestion window )的狀態變量。擁塞窗口的大小取決于網絡的擁塞程度，并且動態地在變化。發送方讓自己的發送窗口等于擁塞窗口。

發送方控制擁塞窗口的原則是：只要網絡沒有出現擁塞，擁塞窗口就再增大一些，以便把更多的分組發送出去。但只要網絡出現擁塞，擁塞窗口就減小一些，以減少注入到網絡中的分組數。

慢開始算法：

當主機開始發送數據時，如果立即將大量數據字節注入到網絡，那么就有可能引起網絡擁塞，因為現在并不清楚網絡的負荷情況。

因此，較好的方法是先探測一下，即由小到大逐漸增大發送窗口，也就是說，由小到大逐漸增大擁塞窗口數值。

通常在剛剛開始發送報文段時，先把擁塞窗口 cwnd 設置為一個最大報文段MSS的數值。而在每收到一個對新的報文段的確認后，把擁塞窗口增加至多一個MSS的數值。用這樣的方法逐步增大發送方的擁塞窗口 cwnd ，可以使分組注入到網絡的速率更加合理。