【计算机网络】传输层协议TCP

TCP协议概述

TCP是面向连接的，面向字节流的传输层协议，每一条连接只能有两个端点，是点对点的。它能提供可靠的传输服务，属于全双工通信。一个TCP报文段的首部格式如下：



首部各字段的意义：

1>源端口和目的端口：通讯的双⽅由IP地址和端口号标识。

2>序号：在一个TCP连接中传送的字节流的每一个字节都需要按顺序编号，若当前序号为120，携带数据100字节，那么下一个报文段就必须从220开始。

3>确认序号：期望收到对方下一个报文的序号，如果是221，说明到序号为200的数据都正确收到了。

4>数据偏移：其实就是首部长度。在交付给上层时需要去除首部，就必须知道首部的长度。

5>保留：保留给今后使用。

6>紧急URG：值为1时，紧急指针有效，数据不再排队传送。直接插入到本报文段数据的最前面，但是紧急数据后面的数据仍是普通数据。

7>确认ACK：ACK=1时，确认序号字段有效。为0时无效，说明该段报文只是单纯的传输，并不会捎带确认。

8>推送PSH：PSH=1时，将这个报文及缓存区之间缓存尚未交付的数据一并交付给进程。

9>复位RST：RST=1时，TCP连接出现严重错误需要重新连接或者拒绝一个非法的报文段。

10>同步SYN：SYN=1时说明这是一条请求连接或者接受连接的报文。

11>终止FIN：FIN=1时，说明这是一条请求释放连接的报文。

12>窗口：窗口是用来告诉对端，当前自身的接收能力是多大。

13>检验和：用来检测数据正确性。检验的范围包括首部和数据两部分。

14>紧急指针：和URG配合使用。指出紧急数据的字节数。

15>选项：可变长

TCP属于IP的上层协议，所以，它封装在IP的数据部分。

字段URG和PSH都是用来标识紧急数据的，它们有什么区别呢？

1、URG紧急位

URG=1,该tcp报文为紧急报文；其中的紧急数据需要直接交付给接收端的进程，而不进入缓存。

紧急数据的长度=紧急指针；

紧急数据的起始点=序号；

紧急数据的终止点=序号+紧急指针；

（综上，紧急指针就是记录紧急数据的字节数，紧急指针永远为正数）

1）在紧急数据后面的数据为普通数据，需要按序缓存。

2）窗口为0也可以发送紧急数据。

3）紧急数据都处理完成后，tcp就告诉进程恢复到正常操作。

2、PSH推送位

PSH=1，该报文希望，到达对端时，将这个报文及缓存区之间缓存尚未交付的数据一并交付给进程。

1)PSH的数据=本报文数据+缓存区数据

2)PSH的方向—>单方向（接收PSH报文的一端）

3、区别

URG交付给进程的数据：只有紧急数据

PSH交付给进程的数据：缓冲区排好序的数据及当前报文中的数据

TCP连接建立过程



连接建立过程时的状态基如上图，我们分析一下这个过程。

1.起初，A，B都处于CLOSED（关闭）状态。

2.主机A主动打开连接，服务器B被动打开连接。B创建TCB（维护连接的数据结构），进入LISTEN状态。

3.A也需要创建TCB，然后向B发送请求连接报文，自己进入SYN-SEND（同步已发送状态）。

4.B收到报文后向A发送确认，自己进入SYN-RCVD（同步收到）。

5.A收到B的确认后，需要再向A给出确认，然后进入ESTAB-LISHED（已建立连接）。

6.B收到A的确认后，也进入ESTAB-LISHED。

那么，TCP连接为什么要三次握手呢？

考虑假如只有两次握手会出现的情况：

A向B发送了一次连接请求，但是此报文在网络中滞留了很久（对于A来说已经失效），但是B收到后对报文进行了确认，但是A此时没有发送确认报文，所以不会理财B的确认。上面也提到过，服务器B会建立一套用来维护连接的数据结构TCB，那么这种情况下B认为连接已经建立，会一直等待A发送数据，浪费了资源。

或者A恶意的攻击服务器B，疯狂的发送连接请求给B，如果只有两次握手，B确认后就认为连接建立了。最终会导致服务器瘫痪。

所以两次肯定是不行的，那四次、五次、更多次呢？当然不会出现上述安全的问题，但是既然3次可以做到，那次数多了除了浪费时间也没啥好处，所以，TCP连接需要三次握手。

TCP连接释放过程



连接释放过程（四次挥手）及双方状态改变如上图。

数据传输结束后，双方都可以释放连接。

1.A向B发送释放连接请求，并停止发送数据，主动关闭TCP连接。自己进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。

2.B收到后发送确认，进入CLOSE-WAIT（关闭等待）状态，此时TCP处于半关闭状态，因为，虽然A不会再给B发送数据了，但是B可能会有数据要发送给A。

3.B一段时间后也没有数据要发送了，向A发送释放连接请求，发送后B进入LAST-ACK（最后确认）状态。

4.A收到B的释放连接请求报文，必须再向B发送此报文的确认报文，然后A进入TIME-WAIT（时间等待）状态。等待2MSL后，A才能进入CLOSED状态。

5.B在收到A的最后确认后，直接进入CLOSED状态。

A在发送完最后一条报文后，为什么还要等待2MSL后才能进入CLOSED状态呢？

第一，为了保证 A 发送的最后一个 ACK 报文段能够到达B。

万一A的最后一个ACK报文段丢了，那么A在等待的时间里就可能再次收到B的释放连接请求，此时A就知道它发送的上一条报文丢了，它会重发。如果不等待，那当最后一条确认报文丢了之后，B就不会进入CLOSED状态。

第二，防止 “已失效的连接请求报文段”出现在本连接中。A 在发送最后一个 ACK 报文段后，再经过时间 2MSL，就可以使本连接持续产生的报文段都从网络中消失。这样就可以使下一个新的连接中不会出现这种旧的连接请求报文段。

这里的2MSL叫做时间等待计时器，TCP中有四种计时器，我们来一个个认识一下。

一、时间等待计时器

时间等待计时器是在连接终止期间使用的 。当TCP关闭一个连接时，它并不认为这个连接马上就真正地关闭了。在时间等待期间中，连接还处于一种中间过渡状态。这个计时器的值通常设置为一个报文段的寿命期值的两倍 。

二、保活计时器

实际上，服务器每收到一个客户机的报文后都会重设保活计时器（2小时），因为客户机有可能在建立连接后由于某些原因出现故障，没来得及释放与服务器的连接，所以这个保活计时器就是为了避免服务器一直等下去。若超过这个计时器的时间服务器还没有收到客户机的数据，就会发送一个探测报文，以后每隔75分钟发送一次，若连续10个探测报文都没有得到客户机的响应，服务器则认为客户机故障，然后关闭连接。

三、重传计时器

当TCP发送报文段时，就创建该特定报文段的重传计时器 。可能发生两种情况：

（1）、若在计时器截止时间到（ 通常是60秒 ）之前收到了对此特定报文段的确认，则撤销此计时器。

（2）、若在收到了对此特定报文段的确认之前计时器截止期到，则重传此报文段，并将计时器复位。

四、坚持计数器

为了对付零窗口大小通知，TCP需要另一个计时器。假定接收TCP宣布了窗口大小为零。发送TCP就停止传送报文段，直到接收TCP发送确认并宣布一个非零的窗口大小。但这个确认可能会丢失。我们知道在TCP中，对确认是不需要发送确认的。若确认丢失了，接收TCP并不知道，而是会认为它已经完成任务了，并等待着发送TCP接着会发送更多的报文段。但发送TCP由于没有收到确认，就等待对方发送确认来通知窗口的大小。双方的TCP都在永远地等待着对方。

要打开这种死锁，TCP为每一个连接使用一个坚持计时器。 当发送TCP收到一个窗口大小为零的确认时，就启动坚持计时器 。 当坚持计时器期限到时，发送TCP就发送一个探测报文段 。这个报文段只有一个字节的数据。它有一个序号，但它的序号永远不需要确认；甚至在计算对其他部分的数据的确认时该序号也被忽略。探测报文段提醒对端：确认已丢失，必须重传。

坚持计时器的值设置为重传时间的数值。但是，若没有收到从接收端来的响应，则需发送另一个探测报文段，并将坚持计时器的值加倍和复位。发送端继续发送探测报文段，将坚持计时器设定的值加倍和复位，直到这个值增大到门限值（ 通常是60秒 ）为止。在这以后，发送端每隔60秒就发送一个探测报文段，直到窗口重新打开。