TCP详解（1）：简介与数据包

简介：

　　传输控制协议（英语：Transmission Control Protocol, TCP）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 793定义。在简化的计算机网络OSI模型中，它完成第四层传输层所指定的功能，用户数据报协议（UDP）是同一层内另一个重要的传输协议。

　　

　　


　　

　　在因特网协议族（Internet protocol suite）中，TCP层是位于IP层之上，应用层之下的中间层。不同主机的应用层之间经常需要可靠的、像渠道一样的连接，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（通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传输单元（MTU）的限制）。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。

　　TCP的连接并不是指一条实际的或虚拟的链路存在于数据交换的两端，而是指连接的双方都维护了一些资源（如输入输出缓冲区、多种定时器）以及链路状态的信息，并通过双方的控制报文交互管理状态、向用户提供接口修改这些资源的分配。

　　TCP提供了可靠的数据传输服务，其采取的措施是对控制报文和数据报文进行确认、并在超时之后进行重传；并利用滑动窗口协议解决数据数传乱序、收发双方进行流量控制。具体来说就是，对于发送方，TCP按照其认为最合适的长度发送数据报文，并在发出报文之后，启动一个定时器，等待数据的确认报文，若定时器超时后仍没有收到确认报文，则重传该报文；对于接收方，收到数据后，首先检查报文校验和，错误则直接丢弃该报文，不确认（发送端会注意到这个事实，从而重传）；收到重复报文，丢弃，不确认；通过双方维护的滑动窗口，TCP会将乱序报文排好序后才提交给上层应用程序。

　　需要注意的是，流量控制与拥塞控制并不是同一回事，流量控制的目的在于防止发送端发送大量数据，超过接收端的处理能力，从而导致丢包等；拥塞控制则在于防止网络中发生拥堵，中间路由器或交换机丢弃报文的情况。

　　TCP提供数据流服务，上层应用传给TCP的数据，TCP并不加以区分，仅仅是按照自己的需求组合、拆分数据，然后传送给对端，对端TCP协议栈再将数据以发送的顺序递交给上层应用。TCP的数据传送仍然是以IP报文的方式发送到对端的，每次尽力发送MSS大小的报文，Nagle算法、TCP_CORK等都是为了对流中报文进行控制。

　　TCP本身并不提供报文边界之类的东西，但提供了紧急数据、PUSH标志（并没有提供对外接口）等方式可以模拟报文。通常，TCP数据流的划分是应用程序的事，应用程序定义好格式，并自己解析。

数据包结构：

　　在TCP首部的图中，我们主要关注以下几个字段：序号、首部长度、6个标志位、选项，窗口大小、紧急指针都是以字节单位，这里并不关注。

　　不含选项的TCP首部为20字节，在首部选项中指明了首部有多少个4字节，由于其占了4位，因此首部最多为60字节。

　　序号字段用来标识TCP数据流中的数据字节流，在建立连接时会以一个ISN进行初始化，每个SYN、FIN等都会消耗掉一个序号。我们并不用太关心这个字段，只是需要知道序号为32位，在长肥管道（容量较大的网络中）序号可能会出现回绕，TCP需要识别。TCP对该字段也进行了相应的扩充（增加选项）。

　　

　　


　　注意上图中的四个非常重要的东西：

　　Sequence Number：包的序号，用来解决网络包乱序（reordering）问题。

　　Acknowledgement Number：ACK序号——用于确认收到，用来解决不丢包的问题。

　　Window：又叫Advertised-Window，也就是著名的滑动窗口（Sliding Window），用于解决流量控制。

　　Control Bits：包的类型，主要是用于控制TCP的状态机。

　　TCP首部中定义了6个字段，在一个报文中，通常只会出现一个标志，但也允许多个标志同时出现。

　　URG：紧急指针标志位。

　　ACK：确认序号标志位，关于ACK有几点需要注意：a) ACK是累积的，表示接收方已经正确收到了一直到确认序号减一的所有字节；b) TCP通常并不会对每个数据包进行确认，而是采用了捎带确认和延迟确认的技术，捎带确认是指将ACK报文合并到数据报文中去，而延迟确认是TCP维持了一个200ms的定时器，在定时器过期前，若有多个数据需要确认，则一块进行确认，通常是两个报文确认一次，若200ms到了，仍没有新数据需要确认，则不再等待，直接确认该报文；c) ACK报文本身并不会被确认，当ACK丢失时，需要依靠对端超时机制发现（后文详述）。

　　PSH：该标志由TCP自动设置（曾经允许通过接口进行设置，当前多数实现不提供），多数实现在发送者将清空发送缓冲区时设置该标志，即发送者一次将当前发送缓冲区的数据都发送出去了。

　　RST：连接重置标志位。

　　SYN：同步标志位，用来发起一个新建连接。

　　FIN：发送端已经完成了所有的数据发送，不会再发送新的数据，关闭了其发送端，若对端也发送该标志，则完全关闭连接。

其他：

　　


参考：

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BC%A0%E8%BE%93%E6%8E%A7%E5%88%B6%E5%8D%8F%E8%AE%AE

technet.microsoft.com

http://www.tcpipguide.com/free/t_TCPConnectionTermination-4.htm

http://www.kuqin.com/shuoit/20141018/342719.html

http://nmap.org/book/tcpip-ref.html