《网络协议》TCP 协议

旧城等待， 2022-08-14 03:54 432阅读 0赞

### 概述 ###

TCP 和 UDP 都使用相同的网络层 IP，但是与 UDP 不同的是，TCP 是面向连接的、可靠的字节流协议。因此，在传输数据之前通信双方必须建立一个 TCP 连接。TCP 通过检验和、序列号、确认应答、重发机制、连接管理以及窗口控制等机制实现可靠性传输。

TCP通过以下方式提供可靠性：

1.  应用数据被分割成 TCP 认为最合适发送的数据块，即进行 TCP 分段。这点与 UDP 完全不同，应用程序产生的 UDP 数据报长度将保持不变，在 IP 层将 UDP 数据报加上IP 首部后，必要时对其进行 IP 分片。
2.  当 TCP 发出一个报文段后，它会启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段，如果没能及时收到该确认信息，则将重发这个报文段。即超时重传。
3.  当 TCP 接收端收到发自连接另一端的 TCP 报文段时，它将发送一个确认，这个确认不是立即发送的，通常会推迟几分之一秒。即确认应答。
4.  TCP 将保持它首部和数据的校验和。这是一个端到端的校验和，目的是检查数据在传输过程中的任何变化。如果收到的报文段的校验和有差错，TCP 将丢弃该报文段，同时不发送确认收到的消息，从而使发送端超时重发。
5.  由于 TCP 报文段作为 IP 数据报来传输，IP 数据报的到达可能会失序，因此 TCP 报文段的到达也可能失序，如果必要，TCP 将对收到的数据进行重排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层。
6.  由于 IP 数据报有可能发生重复，TCP 的接收端必须丢弃重复的数据。
7.  TCP 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 的接受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。即流量控制。

### TCP 首部 ###

TCP 首部如下图所示：

![Center][]

TCP 首部比 UDP 首部复杂很多，并且没有表示包长度和数据长度的字段，可由 IP 层获取 TCP 的包长度，并由 TCP 包长度可知数据的长度。下面对 TCP 首部的个字段进行简单介绍：

*  **源端口号**：表示发送端端口号，字段长 16 位；
 *  **目标端口号**：表示接收端端口号，字段长 16 位；
 *  **序列号**：字段长 32 位，是指发送数据的位置，即标识从发送端向接收端发送的字节流。每发送一次数据，就累加一次该数据字节数的大小。序列号不会从 0 或 1 开始，而是在建立连接时由计算机生成的随机数作为其初始值，通过 SYN 包传给接收端主机。然后再将每转发过去的字节数累加到初始值上表示数据的位置。此外，在建立连接和断开连接时发送的 SYN 包和 FIN 包虽然并不携带数据，但是也会作为一个字节增加对应的序列号。由此可知，建立 TCP 连接是为了初始化序列号；
 *  **确认应答**：字段长 32 位，是指下一次应该收到的数据的序列号。实际上，它是指已收到确认应答号减一为止的数据。发送端收到确认应答后可以认为在这个序列号以前的数据都已经被正常接收；
 *  **首部长度（数据偏移）**：该字段表示 TCP 所传输的数据部分应该从 TCP 包的哪个位置开始计算，可以把它看作是 TCP 首部的长度。该字段长 4 位，单位是 4 字节（即 32 位）。不包括选项字段的话，TCP 首部长度为 20 个字节，因此，数据偏移字段可设置为 5。反之，若该字段值为 5，那么说明从 TCP 包的一开始到 20 字节为止都是 TCP 首部，余下的部分为 TCP 数据；
 *  **保留**：该字段主要是为了以后扩展时使用，其长度为 4 位，一般设置为 0，但即使收到的包在该字段不为 0，此包也不会被丢弃；
 *  **控制位**：字段长为 8 位，每一位从左到右分别为 CWR、ECE、URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN。这些控制标志也叫做控制位。当他们的对应位上值为 1 时，具体含义如下：
    
     *  **CWR**：CWR 标志与后面的 ECE 标志都用于 IP 首部的 ECN 字段，ECE 标志为 1 时，则通知对方已将拥塞窗口缩小；
     *  **ECE**：若其值为 1 则会通知对方，从对方到这边的网络有阻塞。在收到数据包的 IP 首部中 ECN 为 1 时将 TCP 首部中的 ECE 设为 1.；
     *  **URG**：该位设为 1，表示包中有需要紧急处理的数据，对于需要紧急处理的数据，与后面的紧急指针有关；
     *  **ACK**：该位设为 1，确认应答的字段有效，TCP 规定除了最初建立连接时的 SYN 包之外该位必须设为 1；
     *  **PSH**：该位设为 1，表示需要将收到的数据立刻传给上层应用协议，若设为 0，则先将数据进行缓存；
     *  **RST**：该位设为 1，表示 TCP 连接出现异常必须强制断开连接；
     *  **SYN**：用于建立连接，该位设为 1，表示希望建立连接，并在其序列号的字段进行序列号初值设定；
     *  **FIN**：该位设为 1，表示今后不再有数据发送，希望断开连接。当通信结束希望断开连接时，通信双方的主机之间就可以相互交换 FIN 位置为 1 的 TCP 段。每个主机又对对方的 FIN 包进行确认应答之后可以断开连接。不过，主机收到 FIN 设置为 1 的 TCP 段之后不必马上回复一个 FIN 包，而是可以等到缓冲区中的所有数据都因为已成功发送而被自动删除之后再发 FIN 包；
 *  **窗口大小**：该字段长 16 位，用于通知从相同 TCP 首部的确认应答号所指位置开始能够接收的数据大小（8 位字节）。TCP 不允许发送超过该窗口大小的数据。若窗口为 0，则表示可以发送窗口探测，以了解最新的窗口大小，但这个数据必须是 1 个字节；
 *  **检验和**：TCP 的检验和与 UDP 检验和一样，也是采用伪首部，但是 TCP 的检验和无法关闭。TCP 伪首部的信息和 UDP 一样，包括：源 IP 地址、目的 IP 地址、填充、协议号以及 TCP 包长度；
 *  **紧急指针**：该字段为 16 位。只有在 URG 控制位为 1 时有效。该字段的数值表示本报文段中紧急数据的指针。从数据部分的首位到紧急指针所在的位置为止是紧急数据。因此，紧急指针是指出了紧急数据的末尾在报文段中的位置；

### 序列号与确认应答 ###

在 TCP 中，当发送端的数据到达接收端主机时，接收端主机会返回一个已收到消息通知，该消息就是确认应答（ACK）。TCP 通过确认应答和序列号实现可靠的数据传输，若发送端发出数据之后得到接收端的确认应答，则表示该数据已成功到达接收端，否则可能丢失数据。

![Center 1][]

### 超时重传 ###

超时重传是指在重发数据之前，等待确认应答到来的那个特定的时间间隔。若发送端将数据发送出去之后，在特定的时间内没有收到接收端的确认应答，则发送端会重新发送该数据，这就是超时重传机制。

### 连接管理 ###

TCP 协议是提供面向连接的通信传输，面向连接是指双方在进行传输数据之前必须建立连接。有关 TCP 的建立连接和释放连接放在后面讲解。

### 窗口控制 ###

TCP 传输数据是以 1 个段为单位，每发送一个段进行一次确认应答的处理，这样使通信时包的往返时间很长导致降低通信性能。为了解决这个问题，TCP 引入了窗口控制，确认应答不再是以每个分段，而是以更大的单位进行确认，这样缩短转发时间，也就是说，发送端主机在发送了一个段之后不必要一直等待确认应答，而是继续发送数据段。窗口大小是指无需等待确认应答而可以发送数据的最大值。

![Center 2][] ![Center 3][]

采用窗口控制机制必须实现缓冲区，在图 4 中，窗口内的数据即便是没有收到确认应答也可以发送出去。此外从该窗口中能看到的数据是因其某种数据已在传输中丢失，所以发送端才能接收到确认应答，这种情况下需要进行重发。为此，发送端主机在等到确认应答返回之前，必须在缓冲区中保留这部分的数据。在滑动窗口以外的部分包括尚未发送的数据已经已经确认对端已经收到的数据。当数据发出后若如期收到确认应答就可以不用进行重发，此时数据可以从缓冲区中删除。收到确认应答后，将窗口滑到确认应答中的序列号的位置，这样可以顺序地将多个段同时发送提供通信性能。这种机制也称为滑动窗口机制。

### 流量控制 ###

流量控制可以让发送端根据接收端的实际接受能力控制发送的数据量。它的具体操作是，接收端主机向发送端主机通知自己可以接收数据的大小，于是发送端会发送不会超过该大小的数据，该限制大小即为窗口大小，即窗口大小由接收端主机决定。TCP 首部中，专门有一个字段来通知窗口大小，接收主机将自己可以接收的缓冲区大小放在该字段中通知发送端。当接收端的缓冲区面临数据溢出时，窗口大小的值也是随之改变，设置为一个更小的值通知发送端，从而控制数据的发送量，这样达到流量的控制。

### 拥塞控制 ###

为了防止网络拥塞，TCP 采用了一种慢启动算法，对发送数据量进行控制。为了调节发送端的数据发送量，引入了拥塞窗口，在慢启动时，将这个拥塞窗口设为 1 个数据段发送数据，之后每收到一次确认应答，拥塞窗口的值就加 1。在发送数据包时，将拥塞窗口的大小与接收端主机通知的窗口大小进行比较，然后选择较小的值来控制数据量的发送。

参考资料：

《TCP/IP 详解》

《图解 TCP/IP》

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