TCP详解

2.1TCP

由IETF的RFC793定义的传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）是一种基于字节流的传输层通信协议。在传输数据前需要在发送与接收者之间建立连接，通过相应机制保证其建立连接的可靠性。

TCP协议具备以下特性：

面向连接协议
多路复用
全双工模式
数据错误校验
数据分段
窗口机制
可靠性机制

2.1.1 TCP协议的报文

TCP的报文格式如图2-1所示：

图2-1 TCP报文格式

TCP的报文字段解析如下：

Source Port：源端口，标识哪个应用程序发送。长度为16比特。
Destination Port：目的端口，标识哪个应用程序接收。长度为16比特。
Sequence Number：序号字段。TCP链接中传输的数据流每个字节都编上一个序号。序号字段的值指的是本报文段所发送数据的第一个字节的序号。长度为32比特。
Acknowledgment Number：确认序列号，是期望收到对方下一个报文段数据的第1个字节的序号，即上次已成功接收到的数据段的最后一个字节数据的序号加1。只有Ack标识为1，此字段有效。长度为32比特。
Header Length：头部长度，指出TCP报文头部长度，以32比特（4字节）为计算单位。若无选项内容，则该字段为5，即头部为20字节。
Reserved：保留，必须填0。长度为6比特。
Control bits：控制位，包含FIN、ACK、SYN等标志位，代表不同状态下的TCP数据段。
Window：窗口TCP的流量控制，这个值表明当前接收端可接受的最大的数据总数（以字节为单位）。窗口最大为65535字节。长度为16比特。
Checksum：校验字段，是一个强制性的字段，由发端计算和存储，并由收端进行验证。在计算检验和时，要包括TCP头部和TCP数据，同时在TCP报文段的前面加上12字节的伪头部。长度为16比特。
Urgent:紧急指针，只有当URG标志置1时紧急指针才有效。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。紧急指针指出在本报文段中紧急数据共有多少个字节（紧急数据放在本报文段数据的最前面）。长度为16比特。
Options：选项字段（可选），长度为0-40字节

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2.1.2 TCP会话的建立和终止

TCP的建立

任何基于TCP的应用，在发送数据之前，都需要由TCP进行“三次握手”建立连接。三次握手如图2-2所示：

图2-2 TCP三次握手

TCP连接建立的详细过程如下：

由TCP连接发起方（图中PC1），发送第一个SYN位置1的TCP报文。初始序列号a为一个随机生成的数字，因为没收到过来自PC2的任何报文，所以确认序列号为0 ；
接收方（图中PC2）接收到合法的SYN报文之后，回复一个SYN和ACK置1的TCP报文。初始序列号b为一个随机生成的数字，同时因为此报文是回复给PC1的报文，所以确认序列号为a+1；
PC1接收到PC2发送的SYN和ACK置位的TCP报文后，回复一个ACK置位的报文，此时序列号为a+1,确认序列号为b+1。PC2收到之后，TCP双向连接建立。

TCP的序列号与确认序列号

TCP使用序列号和确认序列号字段实现数据的可靠和有序传输，如图2-3所示

图2-3 TCP的序列号与确认序列号

假设PC1要给PC2发送一段数据，传输过程如下：

PC1将全部待TCP发送的数据按照字节为单位编上号。假设第一个字节的编号为“a+1”，第二个字节的序号为“a+2”，依次类推。
PC1会把每一段数据的第一个字节的编号作为序列号（Sequence number），然后将TCP报文发送出去。
PC2在收到PC1发送来的TCP报文后，需要给予确认同时请求下一段数据，如何确定下一段数据呢？序列号( a+1 )+载荷长度=下一段数据的第一个字节的序号（a+1+12）
PC1在收到PC2发送的TCP报文之后，发现确认序列号为“a+1+12” ，说明“a+1”到“a+12”这一段的数据已经被接受，需要从“a+1+12”开始发送。

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TCP的窗口滑动机制

TCP通过滑动窗口机制来控制数据的传输速率，如图2-4所示：

图2-4 TCP窗口滑动机制

TCP通过滑动窗口机制来控制数据的传输速率流程如下：

1. 在TCP三次握手建立连接时，双方都会通过Window字段告诉对方本端最大能够接受的字节数（也就是缓冲区大小）。
2. 连接建立成功之后，发送方会根据接受方宣告的Window大小发送相应字节数的数据。
3. 接受方接受到数据之后会放在缓冲区内，等待上层应用来取走缓冲的数据。若数据被上层取走，则相应的缓冲空间将被释放。
4. 接收方根据自身的缓存空间大小通告当前的可以接受的数据大小( Window )。
5. 发送方根据接收方当前的Window大小发送相应数量的数据。
TCP的关闭

当数据传输完成，TCP需要通过“四次挥手”机制断开TCP连接，释放系统资源，TCP的四次挥手如图2-5所示：

图2-5 TCP的四次挥手

TCP支持全双工模式传输数据，这意味着同一时刻两个方向都可以进行数据的传输。在传输数据之前，TCP通过三次握手建立的实际上是两个方向的连接，因此在传输完毕后，两个方向的连接必须都关闭。流程如下：

由PC1发出一个FIN字段置”1 ”的不带数据的TCP段；
PC2收到PC1发来的FIN置位的TCP报文后，会回复一个ACK置位的TCP报文。
若PC2也没有需要发送的数据，则直接发送FIN置位的TCP报文。假设此时PC2还有数据要发送，那么当PC2发送完这些数据之后会发送一个FIN置位的TCP报文去关闭连接。
PC1收到FIN置位的TCP报文，回复ACK报文，TCP双向连接断开。

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应用端口

在描述TCP报文结构的时候，我们提到了源目端口和目的端口；这里所提到的端口是区别于物理端口的一种抽象端口，被称为”应用端口（Application Port）”。应用端口的作用是标识所载荷数据对应了哪个应用层模块。应用端口分为两类：知名端口（范围0-1023）和非知名端口（范围1024-6553）；所谓知名端口就是已经分配给一些特定应用层模块，部分TCP知名端口见表2-1

表2-1 知名TCP端口号示例