第17章 TCP：传输控制协议

17.1 引言

本章将介绍TCP为应用层提供的服务，以及TCP首部中的各个字段。随后的几章我们在了解TCP的工作过程中将对这些字段作详细介绍。

对TCP的介绍将由本章开始，并一直包括随后的7章。第18章描述如何建立和终止一个TCP连接，第19和第20章将了解正常的数据传输过程，包括交互使用（远程登录）和批量数据传送（文件传输）。第21章提供TCP超时及重传的技术细节，第22和第23章将介绍两种其他的定时器。最后，第24章概述TCP新的特性以及TCP的性能。

17.2 TCP的服务

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。

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。这一过程与打电话很相似，先拨号振铃，等待对方摘机说“喂”，然后才说明是谁。在第18章我们将看到一个TCP连接是如何建立的，以及当一方通信结束后如何断开连接。

在一个TCP连接中，仅有两方进行彼此通信。在第12章介绍的广播和多播不能用于TCP。

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。这和UDP完全不同，应用程序产生的数据报长度将保持不变。由TCP传递给IP的信息单位称为报文段或段（segment）（参见图1-7）。在18.4节我们将看到TCP如何确定报文段的长度。
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。在第21章我们将了解TCP协议中自适应的超时及重传策略。
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，这将在19.3节讨论。
4. 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）。
5. 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。
6. 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。
7. 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。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。

第17章 TCP:传输控制协议171

图17-1 TCP数据在IP数据报中的封装

图17-2显示TCP首部的数据格式。如果不计任选字段，它通常是20个字节。

图17-2 TCP包首部

172TCP/IP详解，卷1：协议

第17章 TCP:传输控制协议173

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。在24.4节我们将看到新的窗口刻度选项，它允许这个值按比例变化以提供更大的窗口。

检验和覆盖了整个的TCP报文段：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。TCP检验和的计算和UDP检验和的计算相似，使用如11.3节所述的一个伪首部。

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。我们将在20.8节介绍它。

最常见的可选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。我们将在18.4节更详细地介绍MSS选项，TCP的其他选项中的一些将在第24章中介绍。

从图17-2中我们注意到TCP报文段中的数据部分是可选的。我们将在18章中看到在一个连接建立和一个连接终止时，双方交换的报文段仅有TCP首部。如果一方没有数据要发送，也使用没有任何数据的首部来确认收到的数据。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。

17.4 小结

TCP提供了一种可靠的面向连接的字节流运输层服务。我们简单地介绍了TCP首部中的各个字段，并在随后的几章里详细讨论它们。

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。

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

习题

1. 我们已经介绍了以下几种分组格式：IP、ICMP、IGMP、UDP和TCP。每一种格式的首部中均包含一个检验和。对每种分组，说明检验和包括IP数据报中的哪些部分，以及该检验和是强制的还是可选的。
2. 为什么我们已经讨论的所有Internet协议（IP,ICMP,IGMP,UDP,TCP）收到有检验和错的分组都仅作丢弃处理？
3. TCP提供了一种字节流服务，而收发双方都不保持记录的边界。应用程序如何提供它们自己的记录标识？
4. 为什么在TCP首部的开始便是源和目的的端口号？
5. 为什么TCP首部有一个首部长度字段而UDP首部（图11-2）中却没有？