TCP相關知識

應swoole長連接開發調研相關TCP知識並記錄。

數據封包流程

如圖，如果我需要發送一條數據給用戶，實際的大小肯定是大於你發送的大小，在各個數據層都進行了數據的封包，以便你的數據能完整的發給你想要的用戶。

以太網的數據包的負載是1500字節，IP包頭需要20個字節，TCP的包頭需要20個字節，實際的數據內容大小則是1460個字節，如圖：

OSI模型術語

應用層：

如nginx、swoole等，大部分的數據都只需要關心應用層即可，我需要傳輸什么數據，我只需要調用對應的方法、發送給已知的IP、端口即可。

TCP層：

對應用層的數據進行包裝，TCP的報文格式如下圖，TCP/UDP層規定了數據的交換格式，如何進行握手、鏈接，如果加快數據傳輸、保證數據的完整性等。

TCP層主要有幾個算法可以關注下：

慢啟動、擁塞避免、快速重傳、快恢復、滑動窗口

IP層：

細心的人也許已經發現TCP報文格式只有你發送的源端口和目標端口，並沒有要發送的IP地址和你的IP地址，這些其實都封包在IP層

數據鏈路層：

數據轉換為frame（幀）進行數據傳輸，為終端通信提供傳輸媒體和鏈接，常用設備有網卡、交換機等

物理層：

傳輸比特流，物理設備傳輸的層，屬於硬件領域范疇，如光纖設備

TCP報文格式

Wireshark抓的某個包截圖：

TCP報文格式說明

1、端口號：用來標識同一台計算機的不同的應用進程。

1）源端口：源端口和IP地址的作用是標識報文的返回地址。

2）目的端口：端口指明接收方計算機上的應用程序接口。

TCP報頭中的源端口號和目的端口號同IP數據報中的源IP與目的IP唯一確定一條TCP連接。

2、序號和確認號：是TCP可靠傳輸的關鍵部分。序號是本報文段發送的數據組的第一個字節的序號。在TCP傳送的流中，每一個字節一個序號。e.g.一個報文段的序號為300，此報文段數據部分共有100字節，則下一個報文段的序號為400。所以序號確保了TCP傳輸的有序性。確認號，即ACK，指明下一個期待收到的字節序號，表明該序號之前的所有數據已經正確無誤的收到。確認號只有當ACK標志為1時才有效。比如建立連接時，SYN報文的ACK標志位為0。

3、數據偏移／首部長度：4bits。由於首部可能含有可選項內容，因此TCP報頭的長度是不確定的，報頭不包含任何任選字段則長度為20字節，4位首部長度字段所能表示的最大值為1111，轉化為10進制為15，15*32/8 = 60，故報頭最大長度為60字節。首部長度也叫數據偏移，是因為首部長度實際上指示了數據區在報文段中的起始偏移值。

4、保留：為將來定義新的用途保留，現在一般置0。

5、控制位：URG ACK PSH RST SYN FIN，共6個，每一個標志位表示一個控制功能。

1）URG：緊急指針標志，為1時表示緊急指針有效，為0則忽略緊急指針。

2）ACK：確認序號標志，為1時表示確認號有效，為0表示報文中不含確認信息，忽略確認號字段。

3）PSH：push標志，為1表示是帶有push標志的數據，指示接收方在接收到該報文段以后，應盡快將這個報文段交給應用程序，而不是在緩沖區排隊。

4）RST：重置連接標志，用於重置由於主機崩潰或其他原因而出現錯誤的連接。或者用於拒絕非法的報文段和拒絕連接請求。

5）SYN：同步序號，用於建立連接過程，在連接請求中，SYN=1和ACK=0表示該數據段沒有使用捎帶的確認域，而連接應答捎帶一個確認，即SYN=1和ACK=1。

6）FIN：finish標志，用於釋放連接，為1時表示發送方已經沒有數據發送了，即關閉本方數據流。

6、窗口：滑動窗口大小，用來告知發送端接受端的緩存大小，以此控制發送端發送數據的速率，從而達到流量控制。窗口大小時一個16bit字段，因而窗口大小最大為65535。

7、校驗和：奇偶校驗，此校驗和是對整個的 TCP 報文段，包括 TCP 頭部和 TCP 數據，以 16 位字進行計算所得。由發送端計算和存儲，並由接收端進行驗證。

8、緊急指針：只有當 URG 標志置 1 時緊急指針才有效。緊急指針是一個正的偏移量，和順序號字段中的值相加表示緊急數據最后一個字節的序號。 TCP 的緊急方式是發送端向另一端發送緊急數據的一種方式。

9、選項和填充：最常見的可選字段是最長報文大小，又稱為MSS（Maximum Segment Size），每個連接方通常都在通信的第一個報文段（為建立連接而設置SYN標志為1的那個段）中指明這個選項，它表示本端所能接受的最大報文段的長度。選項長度不一定是32位的整數倍，所以要加填充位，即在這個字段中加入額外的零，以保證TCP頭是32的整數倍。

10、數據部分： TCP 報文段中的數據部分是可選的。在一個連接建立和一個連接終止時，雙方交換的報文段僅有 TCP 首部。如果一方沒有數據要發送，也使用沒有任何數據的首部來確認收到的數據。在處理超時的許多情況中，也會發送不帶任何數據的報文段。

TCP三次握手圖形

IP報文格式參考

IP報文是對TCP的數據進行了一次包裝，再發送給數據鏈路層，IP報文格式固定格式為20個字節，如圖：

更多協議（IP TCP UDP）的報文格式參考：

http://blog.51cto.com/mmanong/1962353

TCP 窗口大小（cwnd）

TCP慢啟動

當第一次進行SYN建立鏈接的時候，客戶端會與服務端進行溝通MSS的大小，一般為1460 Byte,每當有一個報文字段被確認，cwnd就增加一個MSS大小，這樣隨着網絡時間RTT的呈指數級增長，但是也不會一直指數級別增加，會有一個最大值的限制

數據測試

服務端腳本（swoole）

<?php

$server = new swoole_server("::", 9503);

$server->on('connect', function ($server, $fd){

    echo "connection open: {$fd}\n";

});

$server->on('receive', function ($server, $fd, $reactor_id, $data) {

    $server->send($fd, "Swoole: {$data}");

    $server->close($fd);

});

$server->on('close', function ($server, $fd) {

    echo "connection close: {$fd}\n";

});

$server->start();