TCP：传输控制协议

Posted 2021-02-18 longlyseul

一.TCP协议简介

TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。

面向连接意味着两个使用 TCP的应用（通常是一个客户和一个服务器）在彼此交换数据之前必须先建立一个 TCP连接。

在一个TCP连接中，仅有两方进行彼此通信。

TCP通过以下方式提供可靠性

1.应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块，由 TCP传递给IP的信息单位称为报文段或段。

2.当TCP发出一个段后，它启动一个定时器（重传计时器），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。

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。

7.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。

TCP为应用层提供全双工服务。这意味数据能在两个方向上独立地进行传输。因此，连接的每一端必须保持每个方向上的传输数据序号。

二.TCP首部

TCP数据被封装在一个IP数据报中。

TCP首部数据格式如下图所示，如果不计入任选字段，则TCP首部通常为20个字节长度。

 

16位源端口号/16位目的端口号：每个TCP段都包含源端和目的端的端口号，用于寻找发端和收端应用进程。这两个值加上IP首部中的源端IP地址和目的端IP地址唯一确定一个TCP连接。

32位序号（SYN）：序号用来标识从TCP发端向TCP收端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的的第一个数据字节。当建立一个新的连接时， SYN标志变1。序号字段包含由这个主机选择的该连接的初始序号ISN。该主机要发送数据的第一个字节序号为这个 ISN加1，因为SYN标志消耗了一个序号。

32位确认序号（ACK）：确认序号应当是上次已成功收到数据字节序号加 1。只有ACK标志为 1时确认序号字段才有效。

4位首部长度：首部长度给出首部中32bit字的数目。TCP最多有60字节的首部。如果没有任选选项，则正常TCP长度为20字节。

在TCP首部中存在6个标记比特位，它们中多个可同时被设置为1。

URG：紧急指针有效。

ACK：确认序号有效。

PSH：接收方应该尽快将这个报文段交给应用层。

RST：重新连接。

SYN：同步序列号用来发起一个连接。

FIN：发端完成发送任务。

TCP的流量控制由连接的每一端通过声明的窗口大小来提供。窗口大小为字节数，起始于确认序号字段指明的值，这个值是接收端正期望接收的字节。窗口大小是一个 16 bit字段，因而窗口大小最大为 65535字节。

三.TCP三次握手/四次挥手

TCP是一个面向连接的协议。无论哪一方向另一方发送数据之前，都必须先在双方之间建立一条连接。

连接建立与终止

对于TCP段，每个输出行开始按如下格式显示：

源 > 目的: 标志

这里的标志代表TCP首部中6个标志比特中的4个。

TCP连接的四个标记位：

 三次握手/四次挥手

TCP建立连接协议：

1) 请求端（通常称为客户）发送一个 SYN段指明客户打算连接的服务器的端口，以及初始序号（ISN）。这个SYN段为报文段1。

2) 服务器发回包含服务器的初始序号的 SYN报文段作为应答。同时，将确认序号ACK设置为客户的ISN加1以对客户的SYN报文段进行确认。一个SYN将占用一个序号。

3) 客户必须将确认序号ACK设置为服务器的 ISN加1以对服务器的SYN报文段进行确认。

这三个报文段完成连接的建立。这个过程也称为三次握手。

发送第一个SYN的一端将执行主动打开。接收这个SYN并发回下一个SYN的另一端执行被动打开。当一端为建立连接而发送它的 SYN时，它为连接选择一个初始序号。 ISN随时间而变化，因此每个连接都将具有不同的 ISN，这样选择序号的目的在于防止在网络中被延迟的分组在以后又被传送。

TCP连接终止协议：

建立一个连接需要三次握手，而终止一个连接要经过4次握手。这由TCP的半关闭造成的。既然一个TCP连接是全双工（即数据在两个方向上能同时传递），因此每个方向必须单独地进行关闭。这原则就是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个 FIN来终止这个方向连接。当一端收到一个 FIN，它必须通知应用层另一端几经终止了那个方向的数据传送。收到一个FIN只意味着在这一方向上没有数据流动。一个 TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。

TCP四次挥手过程：

1）首先TCP客户端发送一个FIN，用来关闭从客户到服务器的数据传送。

2）当服务器收到这个 FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加 1。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。同时TCP服务器还向应用程序传送一个文件结束符。

3）接着这个服务器程序就关闭它的连接，导致它的 TCP端发送一个FIN。

4）客户必须发回一个确认，并将确认序号设置为收到序号加1。

 

TCP半关闭：TCP提供了连接的一端在结束它的发送后还能接收来自另一端数据的能力。这就是所谓的半关闭。

 

TCP状态变迁：

 TCP三次握手/四次挥手的正常建立连接和终止连接对应的状态：

TCP三次握手理解：

1）第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包（syn=x）到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认；SYN：同步序列编号。

2）第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=x+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=y），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；

3）第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=y+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED（TCP连接成功）状态，完成三次握手。

 

TCP四次挥手理解：

1）客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。

2）服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。

3）客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。

4）服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。

5）客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。

6）服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。