我們用websocket和http來研究一下TCP/IP協(xié)議的一些特性何鸡，在上一篇文章《https連接的前幾毫秒發(fā)生了什么》里我們已經(jīng)研究了https建立的過程榆俺。

上一篇是用的wireshark的抓包工具，這一篇將用tcpdump命令行工具呢蛤。

1. tcpdump

Linux系的系統(tǒng)有一個(gè)很好用的抓包工具，叫tcpdump，可以用來抓取網(wǎng)絡(luò)上的tcp包所坯，例如我要抓取8080端口的包，可以執(zhí)行以下命令：

sudo tcpdump port 8080 –n

-n的意思是端口號(hào)用數(shù)字表示挂捅，還可以加上-v -vv顯示更詳細(xì)的信息：

sudo tcpdump port 8080 –n -v

再如我要抓取來自特定源IP和發(fā)往特定目的IP的包芹助，可以用以下命令：

sudo tcpdump src host 10.2.200.11 or dst host 10.2.200.11

指定src host和dst host，并用or/and做條件的交集和并集闲先。

在建立一個(gè)網(wǎng)頁(yè)的websocket之前先要建立一個(gè)http連接状土，為此我們簡(jiǎn)單寫一個(gè)小demo。

2. hello, world的http連接

（1）首先寫以下的html文件：

（2）然后再裝一個(gè)http-server的node包伺糠，監(jiān)聽在8080端口蒙谓，如下所示：

（3）電腦開tcpdump命令，抓取通過8080端口通訊的包：

sudo tcpdump port 8080 –n

（4）用手機(jī)訪問：http://10.2.200.140.8080训桶，tcpdump就會(huì)打出所有傳輸?shù)膖cp包累驮，如下圖所示。

我們拿它打印的這些TCP報(bào)文做一個(gè)研究舵揭。在建立一個(gè)http連接之前谤专，先要建立一個(gè)TCP連接，即上圖的頭3個(gè)報(bào)文午绳。下面研究一下這個(gè)HTTP連接是怎么進(jìn)行的置侍。

3. 一個(gè)完整的HTTP連接

（1）TCP三次握手

第一個(gè)報(bào)文：11 -> 140

10:11:06.151830 IP 10.2.200.11.63826 > 10.2.200.140.8080: Flags [S], seq2153742604, win 65535, options [mss 1460,nop,wscale 5,nop,nop,TS val298297187ecr 0,sackOK,eol], length 0

在10點(diǎn)11分的時(shí)候，IP為10.2.200.11（以后簡(jiǎn)稱11）的63826端口向IP為10.2.200.140（以后簡(jiǎn)稱140）的8080端口發(fā)了一個(gè)TCP的包，帶上了標(biāo)志位SYN墅垮，表示要建立一個(gè)連接惕医，并指明包開始的序列號(hào)seq（單位為字節(jié)），以后傳送的字節(jié)編號(hào)都是以這個(gè)做為起點(diǎn)算色，并告知能接收的最大報(bào)文段長(zhǎng)度mss為1460抬伺，一般mss都為1460.

第二個(gè)報(bào)文：140 -> 11

10:11:06.151917 IP 10.2.200.140.8080 > 10.2.200.11.63826: Flags [S.], seq1007874094, ack2153742605, win 65535, options [mss 1460,nop,wscale 5,nop,nop,TS val493556398ecr298297187,sackOK,eol], length 0

在過了87微秒之后，140進(jìn)行了回復(fù)灾梦，發(fā)送了一個(gè)SYN + ACK的報(bào)文段峡钓，表示同意和11建立連接。

第三個(gè)報(bào)文：11 -> 140

10:11:06.190376 IP 10.2.200.11.63826 > 10.2.200.140.8080: Flags [.], ack 1, win 4117, options [nop,nop,TS val298297310ecr493556398], length 0

11收到SYN之后向140發(fā)送一個(gè)ACK若河，同時(shí)改變接收窗口為4117 * 2 ^ 5 = 131kb能岩，完成三次握手。

什么是接收窗口呢萧福？

（2）接收窗口

第四個(gè)報(bào)文里面拉鹃，140也向11修改了它的接收窗口大小：

10:11:06.190422 IP 10.2.200.140.8080 > 10.2.200.11.63826: Flags [.], ack 1, win 4117, options [nop,nop,TS val493556436ecr298297310], length 0

大小為4117 * 2 ^ 5 = 131kb鲫忍，為什么接收窗口是這個(gè)數(shù)呢膏燕？因?yàn)槿缦耇CP的報(bào)文（頭）：

窗口大小只有2個(gè)字節(jié)16位，最大只能表示2 ^ 16 - 1 = 65535即16Kb悟民，當(dāng)初設(shè)計(jì)TCP的人并沒有想到現(xiàn)在的網(wǎng)速會(huì)提升這么快坝辫，16Kb是不夠用的，所以在可選項(xiàng)里面加了一個(gè)wscale(window scale factor)的指數(shù)字段射亏，最大值為14近忙，所以最大的接收窗口大概為1GB.

說了這么多，接收窗口是用來做什么的呢智润？它根據(jù)自身網(wǎng)絡(luò)情況設(shè)置不同大小的值用來控制對(duì)方發(fā)送速度及舍，避免對(duì)方發(fā)送太快，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞窟绷。下面講到擁塞控制會(huì)更進(jìn)一步地討論击纬。

（3）發(fā)送數(shù)據(jù)

建立好TCP連接后，11向140發(fā)送了一個(gè)http請(qǐng)求：

10:11:06.193435 IP 10.2.200.11.63826 > 10.2.200.140.8080: Flags [P.], seq 1:404, ack 1, win 4117, options [nop,nop,TS val298297312ecr493556398], length 403: HTTP: GET / HTTP/1.1

這里钾麸，它帶上了一個(gè)PUSH的標(biāo)志位，表示它是一個(gè)比較緊急的報(bào)文炕桨，要求對(duì)方立即把數(shù)據(jù)從緩存里面發(fā)送給應(yīng)用程序饭尝，不能再繼續(xù)緩存了。

它發(fā)送的字節(jié)號(hào)為[1, 404)献宫，這個(gè)數(shù)字是tcpdump顯示的相對(duì)于握手的協(xié)議初始序列號(hào)顯示的偏移钥平，它是一個(gè)左閉右開的表示，所以這個(gè)報(bào)文總共發(fā)送了403個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。它是一個(gè)GET請(qǐng)求涉瘾。

然后后140收到后給11回復(fù)了一個(gè)ACK：

10:11:06.193467 IP 10.2.200.140.8080 > 10.2.200.11.63826: Flags [.], ack 404, win 4105, options [nop,nop,TS val493556439ecr298297312], length 0

ACK 404表示期待收到第404字節(jié)的數(shù)據(jù)知态，也就是說前面403個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)已經(jīng)都確認(rèn)收到。

然后140進(jìn)行了http響應(yīng)：

10:11:06.194840 IP 10.2.200.140.8080 > 10.2.200.11.63826: Flags [P.], seq 1:290, ack 404, win 4105, options [nop,nop,TS val493556440ecr298297312], length 289: HTTP: HTTP/1.1 200 OK

10:11:06.200295 IP 10.2.200.11.63826 > 10.2.200.140.8080: Flags [.], ack 290, win 4108, options [nop,nop,TS val298297318ecr493556440], length 0

10:11:06.200315 IP 10.2.200.140.8080 > 10.2.200.11.63826: Flags [P.], seq 290:458, ack 404, win 4105, options [nop,nop,TS val493556445ecr298297318], length 168: HTTP

10:11:06.204847 IP 10.2.200.11.63826 > 10.2.200.140.8080: Flags [.], ack 458, win 4103, options [nop,nop,TS val298297321ecr493556445], length 0

140總共發(fā)送了457個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)立叛，分成了兩個(gè)包發(fā)送负敏。而本地的html文件大小為：

所以可以認(rèn)為http報(bào)文頭占用了457 - 168 = 289字節(jié)。

（4）關(guān)閉連接

第一個(gè)報(bào)文：11 -> 140 FIN

10:11:36.359973 IP 10.2.200.11.63826 > 10.2.200.140.8080: Flags [F.], seq 404, ack 458, win 4103, options [nop,nop,TS val298327416ecr493556445], length 0

11等了30s后覺得不用再請(qǐng)求數(shù)據(jù)了秘蛇，于是要把連接關(guān)閉了其做，它向140發(fā)送一個(gè)FIN的報(bào)文。為什么要等30s才關(guān)閉呢赁还？這是HTTP請(qǐng)求的Connection: keep-alive字段影響的妖泄，因?yàn)橥粋€(gè)域可能要請(qǐng)求多個(gè)資源，不能一個(gè)請(qǐng)求完了就把連接關(guān)閉了艘策。如果不關(guān)閉又占用端口號(hào)資源蹈胡，我們知道端口號(hào)最多只有65535個(gè)。

第二個(gè)報(bào)文：140 -> 11 ACK

10:11:36.360021 IP 10.2.200.140.8080 > 10.2.200.11.63826: Flags [.], ack 405, win 4105, options [nop,nop,TS val493586567ecr298327416], length 0

140收到這個(gè)包后向11發(fā)送一個(gè)ACK朋蔫，這個(gè)時(shí)候連接處于半關(guān)閉狀態(tài)罚渐，即11不可再向140發(fā)送數(shù)據(jù)了，但140還可以向11發(fā)送斑举。

第三個(gè)報(bào)文：140 -> 11 FIN

10:11:36.360537 IP 10.2.200.140.8080 > 10.2.200.11.63826: Flags [F.], seq 458, ack 405, win 4105, options [nop,nop,TS val493586567ecr298327416], length 0

140也要把連接關(guān)閉了搅轿，于是它向11發(fā)送FIN

第四個(gè)報(bào)文：11 -> 140 ACK

10:11:36.368758 IP 10.2.200.11.63826 > 10.2.200.140.8080: Flags [.], ack 459, win 4103, options [nop,nop,TS val298327458ecr493586567], length 0

11收到后，向它發(fā)了一個(gè)ACK富玷，此時(shí)連接完全關(guān)閉璧坟。然后主動(dòng)關(guān)閉方11將進(jìn)入TIME_WAIT狀態(tài)

（5）MSS和TIME_WAIT

TIME_WAIT時(shí)間為2MSL，MSL的意思是maximum segment livetime赎懦，即報(bào)文段的最大生存時(shí)間雀鹃，標(biāo)準(zhǔn)建議為2分鐘，實(shí)際實(shí)現(xiàn)有的為30s励两。在TIME_WAIT狀態(tài)下黎茎，上一次建立連接的套接字(socket)將不可再重新啟用，也就是同一個(gè)網(wǎng)卡/IP不可再建立同樣端口號(hào)的連接当悔，如上面是10.2.200.11.63826傅瞻，如果再重新創(chuàng)建系統(tǒng)將會(huì)報(bào)錯(cuò)。為什么要等待這個(gè)時(shí)間呢盲憎？主要是為了避免有些報(bào)文段在網(wǎng)絡(luò)上滯留嗅骄，被對(duì)方收到的時(shí)候如果剛好又啟用了一個(gè)完全一樣的套接字，那么就會(huì)被認(rèn)為是這個(gè)連接的數(shù)據(jù)饼疙。因此為了讓所有“迷路”的報(bào)文徹底消失后溺森，才能啟用相同的套接字。但是有時(shí)候你會(huì)覺得兩分鐘不能重新啟動(dòng)相同的socket，有點(diǎn)麻煩屏积，所以要把它禁了医窿，可以在創(chuàng)建socket的時(shí)候，指定SO_REUSEADDR的選項(xiàng)炊林，這樣就不用等待TIME_WAIT的時(shí)間了姥卢。

另外還有一個(gè)時(shí)間叫RTT(round trip time)，即一個(gè)報(bào)文段的往返時(shí)間铛铁，可以理解為我發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)給你隔显，你再回我一個(gè)ACK這個(gè)往返過程的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間是動(dòng)態(tài)計(jì)算的饵逐，在下面講擁塞控制的時(shí)候?qū)?huì)提及這個(gè)時(shí)間括眠。

接下來討論兩個(gè)問題。

4. 為什么TCP握手要三次倍权？

為什么不是兩次掷豺、四次呢？有人說三次是建立一個(gè)可靠連接最少的次數(shù)薄声，那為什么不是兩次呢当船？?jī)纱魏孟褚部梢园。拖翊螂娫挘?/p>

甲：喂默辨，你聽得到嗎德频？

乙：我聽得到

然后甲就可以開始說話了。再舉另外一個(gè)例子做說明缩幸，假設(shè)有三個(gè)山頭：A壹置、B、C表谊，A山頭想要聯(lián)合B山頭的人晚上六點(diǎn)去攻打B山頭的人钞护，因?yàn)槿绻挥幸粋€(gè)山頭的人去攻打C的話會(huì)陣亡，所以A和B需要進(jìn)行握手爆办。

于是：

A就派了只鴿子帶上SYN的消息過去找B

B收到后又派了只鴿子帶上ACK + SYN的消息回復(fù)A

A收到后又派了只鴿子帶上ACK去回復(fù)B

這個(gè)就好像我們的三次握手难咕，但是三次就夠了嗎？假設(shè)第三次A發(fā)的ACK C沒有收到距辆，這時(shí)候B就要猶豫了：會(huì)不會(huì)A不知道我同意了余佃，如果A不知道我同意那么它可能不會(huì)去攻打了，然后我去了就得被滅了跨算。由于A不知道它的回復(fù)有沒有被收到咙冗，所以它可能會(huì)想到B可能會(huì)怕它不會(huì)出擊，所以A也猶豫了漂彤。

因此三次握手并不能保證雙方完全地信任對(duì)方，即使是四次、五次也是同樣道理挫望，至少有一方無法信任另一方立润，另外一方一想到對(duì)方可能不信它，它也會(huì)變得不信對(duì)方媳板。

但是這個(gè)例子并不是說TCP連接建立是不可靠的桑腮，實(shí)際的場(chǎng)景往往是只要雙方確認(rèn)對(duì)方都在就好了，如下：

甲：你活著嗎蛉幸？我想和你通話

乙：我活著呢破讨，我們開始通話吧

因此最少的握手次數(shù)應(yīng)該是兩次，三次可以提高可靠性奕纫，四次提陶、五次就沒必要了，就會(huì)陷入上面山頭攻打無限循環(huán)確認(rèn)的漩渦匹层。如下：

甲：你活著嗎隙笆？我想和你通話

乙：我活著呢，我們開始通話吧

甲：好的

最后的“好的”可能有點(diǎn)多余升筏，但是它顯得比較有“人情味”撑柔。

難道兩個(gè)山頭通信真的沒有辦法解決嗎？有辦法您访，我們將在下面的擁塞控制提到铅忿。

5. 為什么揮手要四次

分析了握手次數(shù)的原因，很容易可以知道為什么揮手要四次了灵汪。前兩次揮手讓連接處于半關(guān)閉狀態(tài)檀训，此時(shí)主動(dòng)關(guān)閉方不可再向被動(dòng)關(guān)閉方發(fā)送數(shù)據(jù)，而被動(dòng)關(guān)閉可繼續(xù)向主動(dòng)關(guān)閉方發(fā)送數(shù)據(jù)识虚。如下圖所示：

所以四次的原因是可以有一個(gè)處于半關(guān)閉的狀態(tài)肢扯。

接下來看一下四層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

6. 四層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

如下圖所示担锤，我們從發(fā)送數(shù)據(jù)的角度看四層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：

假設(shè)我要用HTTP發(fā)送一個(gè)文本蔚晨，那么它會(huì)最后會(huì)被層層包裝成這樣一個(gè)報(bào)文：

在廣域網(wǎng)是用的IP地址進(jìn)行報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)，而到了局域網(wǎng)需要靠物理地址發(fā)送給對(duì)應(yīng)的主機(jī)肛循。IP是點(diǎn)到點(diǎn)铭腕，負(fù)責(zé)發(fā)送給對(duì)應(yīng)的主機(jī)，而TCP是端到端多糠，即根據(jù)端口號(hào)累舷，負(fù)責(zé)發(fā)送給對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序。

（1）物理地址

每個(gè)網(wǎng)卡都有全球唯一的物理地址夹孔，路由器向同一個(gè)局域網(wǎng)所有主機(jī)發(fā)送收到的數(shù)據(jù)包被盈，本機(jī)的網(wǎng)卡比較一下包里指明的物理地址和本機(jī)的物理地址是否一致析孽，如果一致則接收，否則則丟棄只怎。所以可以在局域網(wǎng)監(jiān)聽發(fā)給其它人的數(shù)據(jù)包袜瞬，當(dāng)然也有一些反監(jiān)聽的手段。

（2）網(wǎng)際層ARP

ARP是一個(gè)地址解析協(xié)議身堡，當(dāng)我訪問10.2.200.140的時(shí)候我需要知道它的物理地址是多少邓尤，因?yàn)樗呀?jīng)是一個(gè)局域網(wǎng)的IP地址了。我怎么知道它的物理地址是多少呢贴谎？我就向局域網(wǎng)的機(jī)器廣播一個(gè)ARP請(qǐng)求：

09:51:32.966852 ARP, Request who-has 10.2.200.140 tell 10.2.200.11, length 28

過了33微秒一小會(huì)的功夫就有人告訴我了：

09:51:32.966885 ARP, Reply 10.2.200.140 is-at 98:5a:eb:89:a5:7e (oui Unknown), length 28

這個(gè)很可能是路由器告訴我的汞扎，上面的tcpdump輸出沒有打印源IP。

可以通過arp -an的命令擅这，查看電腦上的arp表澈魄，如下圖所示：

（3）網(wǎng)際層traceroute有一個(gè)很好用的命令叫traceroute，它可以追蹤路由路徑蕾哟，它的原理是向目的主機(jī)發(fā)送ICMP報(bào)文一忱，發(fā)送第一個(gè)報(bào)文時(shí)，設(shè)置TTL為0谭确，TTL即Time to Live帘营，是報(bào)文的生存時(shí)間，由于它是0逐哈，所以下一個(gè)路由器由到這個(gè)報(bào)文后芬迄，不會(huì)再繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)了，會(huì)給源主機(jī)發(fā)送ICMP出錯(cuò)的報(bào)文昂秃，就可以知道第一個(gè)路由的IP地址禀梳，同理，設(shè)置TTL為1肠骆，就可以知道第二個(gè)路由的IP地址算途，依次類推。

如在北京traceroute廣東電信蚀腿，運(yùn)行命令：

>traceroutegd.189.cn

控制臺(tái)將不斷地打印經(jīng)過的路由嘴瓤，traceroute每次都會(huì)發(fā)三個(gè)報(bào)文：

可以看到為了到廣東電信官網(wǎng)的服務(wù)器，經(jīng)過了這么一個(gè)過程——首先發(fā)給了直接路由器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)莉钙，然后又在局域網(wǎng)的路由轉(zhuǎn)發(fā)了幾次廓脆，最后出來到了北京聯(lián)通，中間又經(jīng)過了北京電信和上海電信的路由器磁玉，最后到了廣州電信的路由器停忿。我們會(huì)發(fā)現(xiàn)每次走的路由可能會(huì)不一樣，它是活的蚊伞。這里又涉及到路由轉(zhuǎn)發(fā)席赂，本文不繼續(xù)探討吮铭。

每個(gè)報(bào)文都有一個(gè)TTL最大跳數(shù)，每經(jīng)過一個(gè)路由就會(huì)把它減1氧枣，當(dāng)減到0的時(shí)候沐兵，就不再繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)了。避免某些報(bào)文被無限循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)便监，造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)烧董。TTL位于IP報(bào)文的第9個(gè)字節(jié)。

（3）網(wǎng)際層Ping

另外一個(gè)很常用的命令是Ping，如Ping一下127.0.0.1可以看一下本機(jī)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是否工作正常扇商，Ping一下某個(gè)服務(wù)器，看這個(gè)服務(wù)器有沒有開控汉，Ping一下某個(gè)域名，看它的IP地址是多少街佑。Ping還可以這么用，例如Ping一下baidu：

可以看到要到百度服務(wù)器中間經(jīng)過了64 – 49 = 15跳，所以可推測(cè)百度用的是Linux服務(wù)器璃搜，為什么呢这吻，因?yàn)長(zhǎng)inux默認(rèn)的最大TTL = 64鬼贱，而49和64最為接近舟误。

Ping一下美國(guó)亞馬遜：

到美國(guó)亞馬遜，經(jīng)過了255 – 217 = 38跳，所以推測(cè)亞馬遜用的Unix服務(wù)器疚顷，Unix服務(wù)器默認(rèn)的最大TTL為255.

再Ping一下中國(guó)版的w3school：

到中國(guó)版的w3school用了128 – 107 = 21跳，Windows的默認(rèn)最大跳數(shù)為128，所以w3school用的是windows操作系統(tǒng) 酗洒，因?yàn)樗玫氖茿SP，所以它必定是windows系統(tǒng)。

繼續(xù)回到demo實(shí)驗(yàn)的討論雹锣，下面分析一些異常的情況。

7. Reset報(bào)文

假設(shè)現(xiàn)在我把8080端口的http-server給殺了攒射，然后再訪問寇窑，會(huì)怎么樣呢？會(huì)抓取到以下報(bào)文：

11:38:09.120488 IP 10.2.200.11.57049 > 10.2.200.140.8080: Flags [S], seq1663158265, win 65535, options [mss 1460,nop,wscale 5,nop,nop,TS val822068310ecr 0,sackOK,eol], length 0

11:38:09.120524 IP 10.2.200.140.8080 > 10.2.200.11.57049: Flags [R.], seq 0, ack1663158266, win 0, length 0

第一個(gè)報(bào)文還是SYN的報(bào)文，但是第二個(gè)報(bào)文服務(wù)器直接返回了RST，告訴對(duì)方不可建立連接。服務(wù)返回異常RST報(bào)文可能有以原因：

服務(wù)器沒開服務(wù)

請(qǐng)求超時(shí)

服務(wù)程序突然掛了

在一個(gè)已關(guān)閉的socket上收到數(shù)據(jù)

8. 擁塞控制

現(xiàn)在我要上傳一個(gè)文件，觀察報(bào)文發(fā)送的情況，如下圖所示：

上面0.70s的時(shí)間內(nèi)，發(fā)送了1448 * 9 = 17k的數(shù)據(jù)（Mss 1460）

這個(gè)時(shí)候突然網(wǎng)卡了，又會(huì)怎么樣呢碴里？如下圖所示：

上面1.45s的時(shí)間內(nèi)，總共發(fā)送了9個(gè)包，5kb數(shù)據(jù)。

正常情況經(jīng)常一次連續(xù)發(fā)送1448 * 6 = 8k數(shù)據(jù)，網(wǎng)卡即帶寬下降的時(shí)候是如何控制發(fā)送速度的呢？先來看一下什么是接收窗口和擁塞窗口。

（1）接收窗口和擁塞窗口

在上傳的過程中，服務(wù)器可能會(huì)不斷地調(diào)整它的接收窗口大小：

14:03:38.479417 IP ec2-54-153-103-33.us-west-1.compute.amazonaws.com.https > 10.2.200.140.56342: Flags [.], ack 59651, win 850, options [nop,nop,TS val954992962ecr598512063,nop,nop,sack 1 ], length 0

如收到上面的ACK報(bào)文后，服務(wù)器的接收窗口rwnd為：

rwnd = 850 * 2 ^ 5 = 27200 B

我本機(jī)自己有一個(gè)擁塞窗口cwnd掌栅，這個(gè)窗口用來控制我的發(fā)送速度猾封，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，這個(gè)擁塞窗口是動(dòng)態(tài)變化的，下面會(huì)提到。實(shí)際的發(fā)送窗口大小為：

發(fā)送窗口 = min(cwnd, rwnd)

當(dāng)cwnd > rwnd的時(shí)候是對(duì)方的接收能力限制了我的發(fā)送速度，而當(dāng)rwnd > cwnd的時(shí)候，是我的網(wǎng)絡(luò)情況造成了發(fā)送比較慢的情況。

發(fā)送窗口又是如何決定發(fā)送速度的呢：

（2）發(fā)送窗口

假設(shè)現(xiàn)在要發(fā)送hello, world這個(gè)文本局待，已經(jīng)知道發(fā)送窗口為5B薛耻，最大報(bào)文段MSS減掉報(bào)文頭占用的空間之后還剩下2B蝙搔，那么發(fā)送如下圖所示：

當(dāng)我收到ACK報(bào)文之后泉褐，如ACK:3，那么就可以將我的發(fā)送窗口向右移動(dòng)兩個(gè)字節(jié)矩欠，然后繼續(xù)發(fā)送發(fā)送窗口里未發(fā)送的報(bào)文财剖，如下圖所示：

如果沒有收到對(duì)方的ACK，那么發(fā)送窗口將不可向右移動(dòng)癌淮，也就是說不會(huì)發(fā)送了躺坟，如果ACK回復(fù)得慢，或者發(fā)送窗口本身比較比小乳蓄，那么發(fā)送的速度就沒那么快了咪橙。這就是發(fā)送窗口控制發(fā)送速度的原理。當(dāng)對(duì)方的帶寬下降時(shí)虚倒，它減少它的接收窗口來控制我的發(fā)送速度美侦，而當(dāng)我的網(wǎng)卡的時(shí)候我減少我的擁塞窗口控制發(fā)送速度。

但是怎么知道網(wǎng)卡了呢魂奥？

（3）慢啟動(dòng)和擁塞避免

由于建立完連接后菠剩，發(fā)送方不知道當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)情況怎么樣，所以它會(huì)非常地謹(jǐn)慎耻煤，先慢慢地發(fā)具壮，如果對(duì)方的ACK回復(fù)很及時(shí)，那么說明可以繼續(xù)加大發(fā)送的量哈蝇，并且指數(shù)位地增加棺妓，這個(gè)就是慢啟動(dòng)。如下訪問一個(gè)Linux服務(wù)器的網(wǎng)址：

可以看到炮赦，服務(wù)在收到一個(gè)GET請(qǐng)求后進(jìn)行響應(yīng)怜跑，第一次同時(shí)只發(fā)3個(gè)包，并且從時(shí)間間隔上我們可以肯定它是故意的吠勘。也就是說它是一個(gè)慢啟動(dòng)性芬，為什么第一次是3個(gè)呢，因?yàn)長(zhǎng)inux 2的系統(tǒng)的初始化擁塞窗口initcwnd為3MSS剧防，3MSS說明第一次只能發(fā)3個(gè)包（每個(gè)包不能超過最大報(bào)文段的長(zhǎng)度）批旺，不同操作系統(tǒng)的initcwnd值如下所示，參考：

Linux3據(jù)說是因?yàn)榻邮芰斯雀璧慕ㄗh诵姜，所以改成了10MSS汽煮。

具體慢啟動(dòng)的過程如下圖表所示：

擁塞窗口會(huì)以指數(shù)倍增長(zhǎng)搏熄，一直增長(zhǎng)到擁塞閾值ssthresh，假設(shè)這個(gè)值為192暇赤。然后再以遞增的方式增加擁塞窗口心例，這個(gè)階段叫擁塞避免。也就說當(dāng)cwnd < ssthresh時(shí)是慢啟動(dòng)的過程鞋囊，而當(dāng)cwnd > ssthresh時(shí)是擁塞避免止后。一直增長(zhǎng)到合適的帶寬大小。

在慢啟動(dòng)和擁塞避免過程中溜腐，可能會(huì)遇到網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況译株，造成丟包的情況，具體表現(xiàn)為很長(zhǎng)時(shí)間沒有收到對(duì)方的ACK挺益，或者收到重復(fù)的ACK歉糜。

（4）超時(shí)重傳

假設(shè)很長(zhǎng)時(shí)間沒有收到對(duì)方發(fā)送的ACK，這個(gè)時(shí)間超過了定時(shí)器的范圍望众，導(dǎo)致進(jìn)行重傳匪补，如下圖所示：

上圖總共重傳了三次，第一次重傳隔了約1.2s烂翰，第二次隔了2.4s夯缺，第三次隔了3.5s，我們觀察到超時(shí)重傳的時(shí)間間隔會(huì)增加甘耿，并且發(fā)生超時(shí)之后最多只會(huì)發(fā)送一個(gè)報(bào)文踊兜，這個(gè)時(shí)候它進(jìn)入了慢啟動(dòng)的過程，如下圖表所示：

當(dāng)本機(jī)收到上傳服務(wù)器的ACK之后佳恬，又繼續(xù)發(fā)了兩個(gè)報(bào)文：

這個(gè)與上面的描述一致润文，即重新進(jìn)入了慢啟動(dòng)。

到這里我們就可以解決兩個(gè)山頭如何可靠地通信殿怜、保證同時(shí)去攻打另一個(gè)山頭的問題了。很簡(jiǎn)單曙砂，A派了只鴿子發(fā)一個(gè)消息給B之后头谜，B給他回了一個(gè)ACK，假設(shè)一只鴿子從B飛到A需要1個(gè)小時(shí)鸠澈，B派出去鴿子之后如果過了兩個(gè)小時(shí)柱告，B沒有收到A發(fā)送的一個(gè)重復(fù)的消息給它，即沒有進(jìn)行超時(shí)重傳笑陈，就可以認(rèn)為B派出去的那只鴿子A已經(jīng)收到了际度。那要是剛好不巧A派出去的第二只鴿子不見了呢，那A又再繼續(xù)超時(shí)重傳涵妥，如果需要重傳很多次的話乖菱，那就放棄吧，就像TCP一樣≈纤客觀條件不允許鹉勒，沒有辦法。

有一種情況不用等超時(shí)吵取，可以馬上進(jìn)行重傳禽额。

（5）快速重傳和快速恢復(fù)

假設(shè)本機(jī)向服務(wù)器按順序發(fā)了三個(gè)包，但是這三個(gè)包可能并沒有按順序到達(dá)皮官，有可能第三個(gè)包先到了脯倒，這個(gè)時(shí)候服務(wù)器收到了亂序的數(shù)據(jù)，于是它馬上產(chǎn)生一個(gè)重復(fù)的ACK捺氢，要求重新獲取從第一個(gè)包開始的數(shù)據(jù)藻丢。收到重復(fù)ACK時(shí)，不應(yīng)該馬上進(jìn)行重傳讯沈，因?yàn)榭赡芎芸靵y序的另外兩個(gè)又及時(shí)到了郁岩。但是當(dāng)收到三個(gè)重復(fù)的ACK時(shí)就可以認(rèn)為那個(gè)包已經(jīng)丟了，需要進(jìn)行重傳缺狠，不用等到超時(shí)问慎，這個(gè)就叫做快速重傳。如下圖所示：

快速重傳之后就進(jìn)入了快速恢復(fù)的階段挤茄。和超時(shí)重傳不一樣的地方是如叼，超時(shí)重傳認(rèn)為當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)情況十分糟糕，所以一下子把擁塞窗口cwnd置成了1穷劈，重新進(jìn)入慢啟動(dòng)笼恰。而快速恢復(fù)認(rèn)為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)并沒有那壞，它把擁塞窗口cwnd置成了當(dāng)前擁塞窗口的一半加3歇终，ssthresh置成老擁塞窗口的一半：如下圖所示：

這個(gè)過程就叫做快速恢復(fù)社证，當(dāng)收到一個(gè)新數(shù)據(jù)的ACK時(shí)，將退出快速恢復(fù)评凝，將cwnd置為ssthresh追葡，進(jìn)入擁塞避免。

（6）慢啟動(dòng)的缺點(diǎn)

慢啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是在比較擁塞的網(wǎng)絡(luò)奕短，慢啟動(dòng)可以避免擁塞進(jìn)一步地加劇宜肉，但是它的缺點(diǎn)也是明顯的，對(duì)于正常的網(wǎng)絡(luò)翎碑，慢啟動(dòng)將降低傳輸?shù)男拭担绫緛硪粋€(gè)RTT就可以傳完的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在要分成幾個(gè)RTT（假設(shè)發(fā)送的數(shù)據(jù)量剛好是這樣）日杈，特別是Linux 2的服務(wù)器initcwnd只有3MSS遣铝，所以可以手動(dòng)把它改大佑刷，如改成10，可執(zhí)行以下命令：

sudo ip route change default via 192.168.1.1 dev eth0 proto static initcwnd 10

快速恢復(fù)的引入也是考慮到了慢啟動(dòng)的缺點(diǎn)翰蠢。

然后再討論一個(gè)很出名的算法

9. Nagle算法

假設(shè)要通過http發(fā)送hello, world這12個(gè)字節(jié)项乒，但是實(shí)際上要發(fā)送多少個(gè)字節(jié)呢？如下：

12:12:57.091926 IP 10.2.200.140.http-alt > 10.2.200.11.60882: Flags [P.], seq 288:301, ack 378, win 4105, options [nop,nop,TS val678005709ecr845655611], length 13: HTTP

http數(shù)據(jù)總共發(fā)送了300個(gè)字節(jié)梁沧，也就是說http報(bào)文頭就占用了288個(gè)字節(jié)檀何，但是這還不包括其它報(bào)文頭，如下所示：

也就是說為了發(fā)送12個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)廷支，總共得發(fā)送356個(gè)字節(jié)频鉴，有效內(nèi)容僅占了4%不到。因此在那個(gè)需要用電話撥號(hào)上網(wǎng)的年代恋拍，這個(gè)代價(jià)就有點(diǎn)大了垛孔，所以Nagle算法的核心思想是：等數(shù)據(jù)積累多了再一起發(fā)出去，大概等待200ms施敢，這樣可以提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐率周荐。

但是在現(xiàn)在光纖的時(shí)代米苹，帶寬和速度已經(jīng)不是太大的問題了计福，如果每個(gè)請(qǐng)求都要延遲200ms，會(huì)造成實(shí)時(shí)性比較差艇抠。所以通常是要把Nagle算法禁掉默怨，可以在創(chuàng)建套接字的時(shí)候設(shè)置TCP_NODELAY標(biāo)志位讯榕。

10. HTTP報(bào)文頭大小限制

（1）請(qǐng)求頭大小限制

標(biāo)準(zhǔn)并沒有規(guī)定http請(qǐng)求頭的大小限制，但是在實(shí)際的實(shí)現(xiàn)上會(huì)有限制匙睹。如nginx限制為4k - 8k愚屁，tomcat最小支持8K。

（2）url長(zhǎng)度限制

如下http報(bào)文格式所示：

URL是在請(qǐng)求行里面的痕檬，并不在請(qǐng)求頭里霎槐，同樣標(biāo)準(zhǔn)也沒有規(guī)定URL有長(zhǎng)度限制，但是實(shí)際的實(shí)現(xiàn)有限制梦谜，如下圖所示：

一個(gè)比較安全的值應(yīng)該是8K丘跌，這樣兼容性最好。同時(shí)需要注意的是GET請(qǐng)求改淑，參數(shù)是在URL里面，而POST請(qǐng)求參數(shù)是在請(qǐng)求數(shù)據(jù)里面浴讯，所以GET請(qǐng)求的數(shù)據(jù)不能太大朵夏。

（3）cookie的長(zhǎng)度限制

cookie是在請(qǐng)求頭里以普通鍵值對(duì)的方式存在，一般一個(gè)domain的cookie不能超過4Kb榆纽，50個(gè)cookie仰猖，不然瀏覽器可能會(huì)不支持捏肢。服務(wù)可以通常Set-Cookie通知客戶端設(shè)置cookie，而客戶端可以用Cookie字段告知服務(wù)現(xiàn)在的cookie數(shù)據(jù)是怎么樣的饥侵，如下所示：

上面的一些基礎(chǔ)問題討論完了鸵赫，我們終于可以來分析websocket了。

11. Websocket

（1）實(shí)現(xiàn)一個(gè)web聊天

怎么實(shí)現(xiàn)一個(gè)http的web的實(shí)時(shí)聊天呢躏升，怎么知道對(duì)方有沒有發(fā)送消息給我呢辩棒？有幾種方法。

第一種辦法使用輪詢膨疏，例如每隔2s就發(fā)一個(gè)請(qǐng)求向服務(wù)端查詢一睁，但是這種方法會(huì)造成資源的浪費(fèi)。

第二種辦法使用Service Worker實(shí)現(xiàn)瀏覽器的Push佃却，這種方法需要先注冊(cè)FCM賬號(hào)者吁，獲取到一個(gè)App Id，用Service Worker監(jiān)聽饲帅，服務(wù)向android.googleapis.com/發(fā)送消息复凳，谷歌服務(wù)器就會(huì)向那個(gè)App Id發(fā)送一個(gè)推送，就實(shí)現(xiàn)了瀏覽器的Push灶泵。但是這種辦法兼容性還不是很好育八，并且大陸的小伙伴無法在正常網(wǎng)絡(luò)環(huán)境收到谷歌服務(wù)器的消息。

所以就有了websocket建立常連接丘逸。為此建立一個(gè)websocket的demo.

（2）websocket的demo

為了實(shí)驗(yàn)单鹿，寫一個(gè)websocket的demo，先裝一個(gè)websocket的Node包深纲，然后監(jiān)聽在8080端口仲锄，接著寫客戶端html5 websocket代碼：

varsocket=newWebSocket("ws://10.2.200.140:8080");socket.onopen=function(){socket.send("長(zhǎng)江長(zhǎng)江，我是黃河");}socket.onmessage=function(event){document.write("收到來自黃河的消息："+event.data);}

打開這個(gè)頁(yè)面湃鹊，瀏覽器就會(huì)顯示一個(gè)websocket的連接：

然后我們用tcpdump研究websocket連接建立的過程儒喊。

（3）Websocket連接建立

首先還是要先建立tcp連接，完成后客戶端發(fā)送一個(gè)upgrade的http請(qǐng)求：

14:23:36.926775 IP 10.2.200.11.61205 > 10.2.200.140.8080: Flags [P.], seq 1:435, ack 1, win 4117, options [nop,nop,TS val848067548ecr685816156], length 434: HTTP: GET / HTTP/1.1

這個(gè)報(bào)文的詳細(xì)內(nèi)容如下：

服務(wù)端收到后同意握手币呵，返回Switching Protocols怀愧，連接建立，如下報(bào)文：

14:23:36.929714 IP 10.2.200.140.8080 > 10.2.200.11.61205: Flags [P.], seq 1:164, ack 435, win 4104, options [nop,nop,TS val685816195ecr848067548], length 163: HTTP: HTTP/1.1 101 Switching Protocols

詳細(xì)內(nèi)容如下所示：

（4）傳送數(shù)據(jù)

發(fā)送“hello, world”12字節(jié)內(nèi)容余赢，用ws只需要發(fā)送18字節(jié)芯义，這比http 300個(gè)字節(jié)要少了很多：

14:24:36.009503 IP 10.2.200.11.61205 > 10.2.200.140.8080: Flags [P.], seq 492:510, ack 168, win 4112, options [nop,nop,TS val848126486ecr685863159], length 18: HTTP

14:24:36.009556 IP 10.2.200.140.8080 > 10.2.200.11.61205: Flags [.], ack 510, win 4101, options [nop,nop,TS val685875098ecr848126486], length 0

具體可以定義消息的類型，例如type = 1表示心跳消息妻柒，type = 2表示用戶發(fā)送的消息扛拨，還可以再定義subtype，并自定義消息內(nèi)容的格式举塔，再封裝一些自定義的消息機(jī)制等等绑警。

（5）關(guān)閉連接

30s后求泰，雙方?jīng)]有傳送數(shù)據(jù)，websocket連接關(guān)閉计盒，進(jìn)行四次揮手渴频。

14:25:06.017016 IP 10.2.200.140.8080 > 10.2.200.11.61205: Flags [F.], seq 170, ack 510, win 4101, options [nop,nop,TS val685904974ecr848146558], length 0

這樣就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)實(shí)時(shí)的web聊天，需要注意的是websocket是一套協(xié)議北启，任何人只要遵守這套協(xié)議就可以使用并和其他人互聯(lián)卜朗，不管你是JS還Android/IOS/C++/Java。ws默認(rèn)監(jiān)聽在80端口暖庄，wss監(jiān)聽在443端口聊替，和http/https一樣。

最后再比較一下websocket和webRTC

（6）Websocket和WebRTC

Websocket是為了解決實(shí)時(shí)傳送消息的問題培廓，當(dāng)然也可以傳送數(shù)據(jù)惹悄，但是不保證傳送的效率和質(zhì)量，而WebRTC可用于可靠地傳輸音視頻數(shù)據(jù)肩钠、文件等泣港。并且可建立P2P連接，不需要服務(wù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)价匠。虛擬電話当纱、在線面試等現(xiàn)在很多都采用WebRTC實(shí)現(xiàn)。

最后做個(gè)總結(jié)踩窖。這篇文章介紹了很多通信協(xié)議的東西坡氯，分析了TCP/IP的三次握手和四次揮手，并討論了為什么握手是三次洋腮，而揮手是四次箫柳，還講了四層網(wǎng)絡(luò)模型，分析了工作在不同層的協(xié)議和工具啥供，后面又重點(diǎn)分析了TCP的擁塞控制悯恍，包括超時(shí)重傳、慢啟動(dòng)和擁塞避免伙狐、快速重傳和快速恢復(fù)涮毫，接著還講了點(diǎn)HTTP的東西，最后簡(jiǎn)單分析了下Websocket連接的過程和它的特點(diǎn)以及和WebRTC的區(qū)別贷屎。上面可以說是TCP/IP協(xié)議的核心內(nèi)容罢防，我們通過一兩個(gè)demo把它給串了起來，對(duì)讀者應(yīng)該有一個(gè)啟發(fā)作用唉侄，可以更深刻地理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議咒吐，當(dāng)你在寫一個(gè)請(qǐng)求的時(shí)候，你知道它的背后發(fā)生了什么。讀者可以根據(jù)本文再繼續(xù)查閱相關(guān)資料延伸擴(kuò)展渤滞。如有不正確之處還請(qǐng)指出。