TCP/IP协议详解 卷一：协议 17章TCP传输控制协议

Posted 2020-09-14

1、TCP服务

尽管TCP和UDP都使用相同的网络层（IP），TCP却向应用层提供与UDP完全不同的服务。TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。

（1）面向连接

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。过程与打电话相似，先拨号振铃，等待对方摘机说“喂”，然后才说明是谁。

说明：在一个TCP连接中，仅有两方彼此进行通信。广播和多播不能用于TCP。

（2）可靠性

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。由TCP传递给IP的信息单位称为报文段或段。

注意：对于UDP，应用程序产生的数据报长度将保持不变。

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。（超时重传）

3）当TCP收到发自TCP连接另一端的数据，它将发送一个确认。这个确认不是立即发送，通常将推迟几分之一秒。

4）TCP将保持它的首部和数据检验和。这是一个端到端的检验和，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）。

5）因为TCP报文段是作为IP数据报来传输的，而IP数据报的到达可能会失序，所以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。

6）因为IP数据报会发生重复，所以TCP的接收端必须丢弃重复的数据。

7）TCP提供流量控制。TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲区。TCP的接收端只允许另一端发送其缓冲区所能接纳的数据。可防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。

说明：

1）两个应用程序通过TCP连接交换8 bit构成的字节流。TCP不在字节流中插入记录标识符。将这称为字节流服务。

2）假设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。收方可以分4次接收这80个字节，每次接收20字节。

3）TCP对字节流的内容不作任何解释，它不知道传输的数据字节流是二进制数据、ASCII字符、EBCDIC字符或其他类型数据。由TCP双方的应用层对字节流进行解释。

 

2、TCP首部

TCP数据被封装在一个IP数据报中，如图17-1所示。

图17-2显示TCP首部的数据格式。如果不计选项字段，它通常是20个字节。

TCP首部字段说明：

（1）TCP段包含的源端和目的端端口号，是用于寻找发端和收端应用进程。

说明：源端和目的端端口号加上源端IP地址和目的端IP地址唯一确定一个TCP连接。（四元组唯一确定一个TCP连接）

（2）序号用来标识从TCP发端向收端发送的数据字节流。如果将字节流看作是在两个应用程序间的单向流动，则TCP用序号对每个字节进行计数。序号是32 bit的无符号数，到达2^32-1后又从0开始。

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

（3）当建立一个新的连接时，SYN标志置1。

（4）因为每个传输的字节都被计数，确认序号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号，即确认序号是上次已成功收到数据字节序号加1。

注意：只有ACK标志为1时确认序号字段才有效。

（5）发送ACK无需任何代价，因为32 bit的确认序号字段和ACK标志一样，总是TCP首部的一部分。因此，一旦一个连接建立起来，这个字段总是被设置，ACK标志也总是被设置为1。

（6）首部长度给出首部中32 bit字的数目。需要这个值是因为任选字段的长度是可变的。这个字段占4 bit，因此TCP最多有60字节的首部（32bit*(2^4-1)）。如果没有选项字段，正常的长度是20字节。

（7）TCP首部中有6个标志比特，它们中的多个可同时被设置为1。含义为：

1）URG 紧急指针有效。

2）ACK 确认序号有效。

3）PSH 接收方应该尽快将这个报文段交给应用层。

4）RST 重建连接。

5）SYN 同步序号用来发起一个连接。

6）FIN 发端完成发送任务。

（8）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。

（9）检验和覆盖了整个TCP报文段包括TCP首部和TCP数据。这是一个强制性的字段，一定是由发端计算和存储，并由收端进行验证。

说明：TCP检验和的计算与UDP检验和的计算相似，使用一个伪首部。

（10）只有当URG标志置1时紧急指针才有效。紧急指针是一个正的偏移量，和序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。TCP的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。

（11）最常见的选项字段是最长报文大小，又称为MSS (Maximum Segment Size)。每个连接方通常都在通信的第一个报文段（为建立连接而设置SYN标志的那个段）中指明这个选项。它指明本端所能接收的最大长度的报文段。

（12）TCP报文段中的数据部分是可选的。例如：一个连接建立和终止时，双方交换的报文段仅有TCP首部。在处理超时的许多情况中，也会发送不带任何数据的报文段。

 

小结：

（1）TCP提供了一种可靠的面向连接的字节流运输层服务。

（2）TCP将用户数据打包构成报文段；它发送数据后启动一个定时器；另一端对收到的数据进行确认，对失序的数据重新排序，丢弃重复数据；TCP提供端到端的流量控制，并计算和验证一个强制性的端到端检验和。

（3）许多流行的应用程序如Telnet、Rlogin、FTP和SMTP都使用TCP。