计算机基础——TCP协议
Posted 电脑爱好者家园
tags:
篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了计算机基础——TCP协议相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
在互联网高速普及的今天，相比很多小童鞋小伙伴们都听说过TCP协议，亦或者是听说过TCP/IP协议，今天小编就来科普一下我们计算机网络中最常见的TCP协议。
TCP协议，全称：传输控制协议，是英文Transmission Control Protocol的缩写，是一种面向连接的，可靠的，基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC定义。旨在提供一种可适应多网络应用的分层协议层次结构，实现可靠的通信服务。
TCP协议简介
互联网络与单个网络有很大的不同，因为互联网络的不同部分可能有截然不同的拓扑结构、带宽、延迟、数据包大小和其他参数。TCP的设计目标是能够动态地适应互联网络的这些特性，而且具备面对各种故障时的健壮性。
不同主机的应用层之间经常需要可靠的、像管道一样的连接，但是IP层不提供这样的流机制，而是提供不可靠的包交换。
应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，然后TCP把数据流分区成适当长度的报文段。之后TCP把结果包传给IP层，由它来通过网络将包传送给接收端实体的TCP层。TCP为了保证不发生丢包，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的包发回一个相应的确认（ACK）；如果发送端实体在合理的往返时延（RTT）内未收到确认，那么对应的数据包就被假设为已丢失将会被进行重传。TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误；在发送和接收时都要计算校验和。
每台支持TCP的机器都有一个TCP传输实体。TCP实体可以是一个库过程、一个用户进程，或者是内核的一部分。在这些情形下，它管理TCP流、与IP层之间的接口。TCP传输实体接受本地进程的用户数据流，将它们分割成不超过64KB（实际上去掉IP和TCP头，通常不会超过1460字节）的分段，每个分段以单独的IP数据报形式发送。
当包含TCP数据的数据报到达一台机器时，它们被递交给TCP传输实体，TCP传输实体重构出原始的字节流。
IP层并不保证数据报一定被正确地递交到接收方，也不会显示数据报文的发送速度有多快。正是TCP负责既要足够快地发送数据报，以便最大限度的使用网络容量，但又不能引起网络拥塞：而且，TCP超时后，要重传没有递交的数据报。即使被正确递交的数据报，也可能存在错序的问题，这也是TCP的责任，它必须把接收到的数据报重新装配成正确的顺序。简而言之，TCP必须提供可靠性的良好性能，这正是大多数用户所期望的而IP又没有提供的功能。
发展历程
TCP的正式定义由1981年9月的RFC793 给出。随着时间的推移，已经对其做了许多改进，各种错误和不一致的地方逐渐被修复。
现在重要的RFC有：RFC793plus澄清了说明，RFC1122 修复了bug、RFC1323做了高性能扩展，RFC2018定义了选择性确认，RFC2581说明了拥塞控制、RFC2873定义了为服务质量而重用的头字段，RFC2988改进了重传计时器，RFC3168定义了显式拥塞通知。完整的协议集合很大，因而专门发布了一个针对许多RFC的指南，它就是作为另一个RFC文档公布的RFC4614 。
主要功能
当应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，TCP则把数据流分割成适当长度的报文段，最大传输段大小（MSS）通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传送单元（MTU）限制。之后TCP把数据包传给IP层，由它来通过网络将包传送给接收端实体的TCP层。
TCP为了保证报文传输的可靠，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的字节发回一个相应的确认（ACK）；如果发送端实体在合理的往返时延（RTT）内未收到确认，那么对应的数据（假设丢失了）将会被重传。
在数据正确性与合法性上，TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误，在发送和接收时都要计算校验和；同时可以使用md5认证对数据进行加密。
在保证可靠性上，采用超时重传和捎带确认机制。
在流量控制上，采用滑动窗口协议，协议中规定，对于窗口内未经确认的分组需要重传。
在拥塞控制上，采用广受好评的TCP拥塞控制算法（也称AIMD算法）。该算法主要包括四个主要部分：
（1）慢启动
每当建立一个TCP连接时或一个TCP连接发生超时重传后，该连接便进入慢启动阶段。进入慢启动后，TCP实体将拥塞窗口的大小初始化为一个报文段，即：cwnd=1。此后，每收到一个报文段的确认（ACK），cwnd值加1，即拥塞窗口按指数增加。当cwnd值超过慢启动阐值（sshterhs）或发生报文段丢失重传时，慢启动阶段结束。前者进入拥塞避免阶段，后者重新进入慢启动阶段。
（2）拥塞避免
在慢启阶段，当cwnd值超过慢启动阐值（ssthresh）后，慢启动过程结束，TCP连接进入拥塞避免阶段。在拥塞避免阶段，每一次发送的cwnd个报文段被完全确认后，才将cwnd值加1。在此阶段，cwnd值线性增加。
（3）快速重传
快速重传是对超时重传的改进。当源端收到对同一个报文的三个重复确认时，就确定一个报文段已经丢失，因此立刻重传丢失的报文段，而不必等到重传定时器（RTO）超时。以此减少不必要的等待时间。
（4）快速恢复
快速恢复是对丢失恢复机制的改进。在快速重传之后，不经过慢启动过程而直接进入拥塞避免阶段。每当快速重传后，置sshtesrh=cwnd/2、ewnd=ssthresh+3。此后，每收到一个重复确认，将cwnd值加1，直至收到对丢失报文段和其后若干报文段的累积确认后，置cwnd=ssthesrh，进入拥塞避免阶段。
主要特点
TCP是一种面向广域网的通信协议，目的是在跨越多个网络通信时，为两个通信端点之间提供一条具有下列特点的通信方式：
（1）基于流的方式；
（2）面向连接；
（3）可靠通信方式；
（4）在网络状况不佳的时候尽量降低系统由于重传带来的带宽开销；
（5）通信连接维护是面向通信的两个端点的，而不考虑中间网段和节点。
为满足TCP协议的这些特点，TCP协议做了如下的规定：
①数据分片：在发送端对用户数据进行分片，在接收端进行重组，由TCP确定分片的大小并控制分片和重组；
②到达确认：接收端接收到分片数据时，根据分片数据序号向发送端发送一个确认；
③超时重发：发送方在发送分片时启动超时定时器，如果在定时器超时之后没有收到相应的确认，重发分片；
④滑动窗口：TCP连接每一方的接收缓冲空间大小都固定，接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据，TCP在滑动窗口的基础上提供流量控制，防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出；
⑤失序处理：作为IP数据报来传输的TCP分片到达时可能会失序，TCP将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层；
⑥重复处理：作为IP数据报来传输的TCP分片会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据；
⑦数据校验：TCP将保持它首部和数据的检验和，这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到分片的检验和有差错，TCP将丢弃这个分片，并不确认收到此报文段导致对端超时并重发。
首部格式
---Source Port是源端口，16位。
---Destination Port是目的端口，16位。
---Sequence Number是发送数据包中的第一个字节的序列号，32位。
---Acknowledgment Number是确认序列号，32位。
---Data Offset是数据偏移，4位，该字段的值是TCP首部（包括选项）长度除以4。
---标志位：6位
URG表示Urgent Pointer字段有意义：
ACK表示Acknowledgment Number字段有意义
PSH表示Push功能，RST表示复位TCP连接
SYN表示SYN报文（在建立TCP连接的时候使用）
FIN表示没有数据需要发送了（在关闭TCP连接的时候使用）
---Checksum是校验和，16位。
---Urgent Pointers是紧急指针，16位，只有URG标志位被设置时该字段才有意义，表示紧急数据相对序列号（Sequence Number字段的值）的偏移。
可靠性实
TCP通过下列方式来提供可靠性：
1．应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块。这和UDP完全不同，应用程序产生的数据长度将保持不变。由TCP传递给IP的信息单位称为报文段或段（segment）。
2．当TCP发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。当TCP收到发自TCP连接另一端的数据，它将发送一个确认。TCP有延迟确认的功能，在此功能没有打开，则是立即确认。功能打开，则由定时器触发确认时间点。
3．TCP将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错，TCP将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段（希望发端超时并重发）。
4．既然TCP报文段作为IP数据报来传输，而IP数据报的到达可能会失序，因此TCP报文段的到达也可能会失序。如果必要，TCP将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层。
5．既然IP数据报会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据。
6．TCP还能提供流量控制。TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。TCP的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。
两个应用程序通过TCP连接交换8bit字节构成的字节流。TCP不在字节流中插入记录标识符。我们将这称为字节流服务（bytestreamservice）。如果一方的应用程序先传10字节，又传20字节，再传50字节，连接的另一方将无法了解发方每次发送了多少字节。只要自己的接收缓存没有塞满，TCP 接收方将有多少就收多少。一端将字节流放到TCP连接上，同样的字节流将出现在TCP连接的另一端。
另外，TCP对字节流的内容不作任何解释。TCP不知道传输的数据字节流是二进制数据，还是ASCⅡ字符、EBCDIC字符或者其他类型数据。对字节流的解释由TCP连接双方的应用层解释。
这种对字节流的处理方式与Unix操作系统对文件的处理方式很相似。Unix的内核对一个应用读或写的内容不作任何解释，而是交给应用程序处理。对Unix的内核来说，它无法区分一个二进制文件与一个文本文件。
关于TCP协议，展开的内容还有很多，
作为科普，小编今天就讲到这里啦，
有任何问题，都可通过微信留言，评论与小编参与互动哦~
您的支持就是对小编最大的鼓励！
以上是关于计算机基础——TCP协议的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章