TCP协议在物联网中实战

一、TCP协议介绍

网上对TCP协议介绍众多，本人按照自己的理解简单介绍一下。

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输控制层通信协议。

1.1 协议机制

1.1.1 三次握手

在这里插入图片描述
（图片来自https://baijiahao.baidu.com/s?id=1790500638479044426&wfr=spider&for=pc，侵权删）

TCP三次握手的过程如下：
1.客户端发送SYN（seq=x）报文给服务器端，进入SYN_SENT状态。
2.服务器端收到SYN报文，回应一个SYN （seq=y）ACK（ack=x+1）报文，进入SYN_RECV状态。
3.客户端收到服务器端的SYN报文，回应一个ACK（ack=y+1）报文，进入Established状态。

1.1.2 四次挥手

在这里插入图片描述
（图片来自：https://cloud.tencent.com/developer/article/2094245）

第一次挥手： 主动关闭的一方（客户端或服务器）发送一个TCP段，其中包含一个FIN标记（Finish），表示它没有数据要发送给对方，但它仍能接收数据。
第二次挥手： 接收到FIN的一方发送一个ACK（Acknowledgement），确认收到FIN。
第三次挥手： 接收到FIN的一方发送一个FIN，表示它也没有数据要发送了，但它仍能接收数据。
第四次挥手： 主动关闭的一方发送一个ACK，确认收到FIN。
在经过2MSL（Maximum Segment Lifetime，最大报文存活时间）后，TCP连接正式结束

1.1.3 拥塞控制

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（1）慢启动：在连接刚建立时，发送方将初始拥塞窗口设置为一个较小的值（通常是一个报文段的大小）。然后，每当发送方收到一个确认应答时，拥塞窗口就会加倍（指数增长）。这样，发送方会逐渐增加发送的数据量，从而实现慢慢地探测网络的容量。一但出现丢包，就将拥塞窗口减半，进入拥塞避免阶段。
（2）拥塞避免：一旦拥塞窗口达到一个阈值（通常是网络的带宽和延迟的函数），发送方将进入拥塞避免阶段。在拥塞避免阶段，发送方每收到一个确认应答时，拥塞窗口的增长将变慢（线性增长），谨慎地增加数据发送量，以防止过度拥塞网络。
（3）快速重传：发送方连续收到3个重复的确认应答时，它会推断某个报文段丢失，并立即重传该报文段，而不等待超时重传的时间。这样可以更快地恢复丢失的报文段，提高传输效率。
（4）快速恢复：当发送方接收到重复确认应答时，它会将拥塞窗口减半，并进入快速恢复阶段。在快速恢复阶段，发送方每收到一个确认应答时，拥塞窗口的增长将变得更慢，并且不再执行慢启动算法，而是执行拥塞避免算法。

1.2 协议报文

在这里插入图片描述

1、端口号： 用来标识同一台计算机的不同的应用进程。
1）源端口：源端口和IP地址的作用是标识报文的返回地址。
2）目的端口：端口指明接收方计算机上的应用程序接口。
TCP报头中的源端口号和目的端口号同IP数据报中的源IP与目的IP唯一确定一条TCP连接。
2、序号和确认号： 是TCP可靠传输的关键部分。序号是本报文段发送的数据组的第一个字节的序号。在TCP传送的流中，每一个字节一个序号。e.g.一个报文段的序号为300，此报文段数据部分共有100字节，则下一个报文段的序号为400。所以序号确保了TCP传输的有序性。确认号，即ACK，指明下一个期待收到的字节序号，表明该序号之前的所有数据已经正确无误的收到。确认号只有当ACK标志为1时才有效。比如建立连接时，SYN报文的ACK标志位为0。
3、数据偏移／首部长度： 4bits。由于首部可能含有可选项内容，因此TCP报头的长度是不确定的，报头不包含任何任选字段则长度为20字节，4位首部长度字段所能表示的最大值为1111，转化为10进制为15，15*32/8 = 60，故报头最大长度为60字节。首部长度也叫数据偏移，是因为首部长度实际上指示了数据区在报文段中的起始偏移值。
4、保留： 为将来定义新的用途保留，现在一般置0。
5、控制位： URG ACK PSH RST SYN FIN，共6个，每一个标志位表示一个控制功能。
1）URG：紧急指针标志，为1时表示紧急指针有效，为0则忽略紧急指针。
2）ACK：确认序号标志，为1时表示确认号有效，为0表示报文中不含确认信息，忽略确认号字段。
3）PSH：push标志，为1表示是带有push标志的数据，指示接收方在接收到该报文段以后，应尽快将这个报文段交给应用程序，而不是在缓冲区排队。
4）RST：重置连接标志，用于重置由于主机崩溃或其他原因而出现错误的连接。或者用于拒绝非法的报文段和拒绝连接请求。
5）SYN：同步序号，用于建立连接过程，在连接请求中，SYN=1和ACK=0表示该数据段没有使用捎带的确认域，而连接应答捎带一个确认，即SYN=1和ACK=1。
6）FIN：finish标志，用于释放连接，为1时表示发送方已经没有数据发送了，即关闭本方数据流。
6、窗口： 滑动窗口大小，用来告知发送端接受端的缓存大小，以此控制发送端发送数据的速率，从而达到流量控制。窗口大小时一个16bit字段，因而窗口大小最大为65535。
7、校验和： 奇偶校验，此校验和是对整个的 TCP 报文段，包括 TCP 头部和 TCP 数据，以 16 位字进行计算所得。由发送端计算和存储，并由接收端进行验证。
8、紧急指针： 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，和顺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。
9、选项和填充： 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标志为1的那个段）中指明这个选项，它表示本端所能接受的最大报文段的长度。选项长度不一定是32位的整数倍，所以要加填充位，即在这个字段中加入额外的零，以保证TCP头是32的整数倍。
10、数据部分： TCP 报文段中的数据部分是可选的。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。