TCP协议详解

太过爱你忘了你带给我的痛 2023-07-09 08:25 14阅读 0赞

网络协议之TCP（传输层）

### 文章目录 ###

*   *  一、TCP概述
     *  二、TCP的连接
     *  三、TCP报文段的首部格式
     *  四、TCP协议如何实现可靠传输
     *  五、TCP协议如何实现流量控制
     *  六、TCP协议如何避免网络拥塞
     *  七、TCP的传输连接管理
     *  八、SYN（洪水）攻击
     *  九、TCP和UDP的区别

## 一、TCP概述 ##

1.TCP是面向连接的传输层协议（也就是正式通信之前要三次握手进行连接准备）  
2.每一条TCP连接只能有两个端点，每一条TCP连接只能是点对点的（一对一） （也就是一个收一个发）  
3. TCP提供可靠交付的服务  
4.TCP提供全双工通信（收的一端给一段时间给发的一端进行反馈保证通信正常）  
5.面向字节流

## 二、TCP的连接 ##

1.每一条TCP连接有两个端点，TCP连接的端点不是主机，不是主机的IP地址，不是应用进程，也不少传输协议端口。TCP连接的端点叫做套接字（socket），端口号拼接到IP地址即构成了套接字。  
2.使用这种可靠传输协议常称为自动重传请求ARQ，ARQ表明重传的请求是自动进行的，接收方不需要请求发送方重传某个出错的分组。  
3.停止等待协议的优点是简单，单缺点是信道利用率太低，为了提高信道利用率，可以采用流水线传输方式：

发送方可以连续发送多个分组，不必每次发完一个分组就停顿下来等待对方的确认。
    3.1怎么保证流水线能够可靠传输呢，这里有一个连续ARQ协议：
       发送方有一个发送窗口（假设为5），先开始发送方发送5个数据包就不会发送了，直到收到接收方收到第一个数据包的通知时，
       发送方的发送窗继续向右滑动一个位置才继续发送第六个数据包。假设发送方一直没有收到第三个数据包的确认答复，
       那么窗口会进行向左滑动继续发送第三个数据包，直到收到答复为止。
    3.2数据包还可以进行累计确认，当接收端给发送端确认3时，表示接收端已将123数据包都接收了，然后发送端继续发送后边的数据包
       累计确认的优缺点：
          优点是:容易实现，信道利用率高。
          缺点是:不能向发送方反映出接收方已经正确收到的所有分组的信息。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0ODQwMTQ4_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0ODQwMTQ4_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

4.可靠通信的实现
      使用上述的确认和重传机制，我们就可以在不可靠的传输网络上实现可靠的通信。这种可靠传输协议常称为自动重传请求ARQ (Automatic Repeat reQuest)。
      ARQ表明重传的请求是自动进行的。接收方不需要请求发送方重传某个出错的分组。

## 三、TCP报文段的首部格式 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0ODQwMTQ4_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
1.TCP报文段：TCP首部+TCP数据部分  
TCP首部：长度可变，一般是20个字节长度，就是那20个字节的固定首部，别的情况下除了固定首部还有一些选项  
TCP数据部分：数据部分的头有一个数字代表的是整个文件的第多少个字节的位置  
2.TCP首部最长是60个字节，除去固定首部20个字节外，选项部分最长就是40个字节  
3.TCP首部的数据偏移字段就是记录了首部长度之后再有多少个字节才是TCP数据的部分

4. TCP中的序号是自己端这次数据号在原文件中的位置（告诉对方这是自己数据的哪个位置）	
       确认号是对方上次端传输的数据号+1（告诉对方确认号之前的数据我都收到了，下一次你从确认号开始发数据，这是在完全接受成功的情况下）

5.TCP报文段的首部的保留的字段中：

TCP有6种标示:SYN(建立联机) ACK(确认) PSH(传送) FIN(结束) RST(重置) URG(紧急)
    （1）URG用来告诉计算机现在传的数据包比较高级，别排队了：
          比如在给对方传一个文件的时候想中断上传，可是数据包又都放在发送缓存区了，
          这个时候就需要URG=1字段来快速插队给接收端发送停止命令，相当于在发送端开辟了VIP通道
    （2）ACK字段表示确认号是否有效，当ACK=0时，表示确认号是无效的
    （3）SYN是两方需要会话同步信息的时候用的。
    （4）ACK与SYN的关系：假设A是发送端，B是接收端
    	当AB第一次建立连接时，A向B发送序号=0（因为没有数据正文），确认号=0，ACK=0，SYN=1；（因为此时B还没有发数据包所以确认号=0）
        然后B给A回复时回复的应该是：序号为0，确认号为1（因为确认号为0时表示确认号无效了），ACK=1，SYN=1.
    （5）PSH字段是与URG配合的,当一个数据包中头部信息PSH与URG值都为1，那么这个数据包相当于在接收端缓冲区也开辟了VIP通道，接收端会优先接收
    （6）RST字段值为1时，表示当前TCP会话出现了严重错误，需要断开此会话，想正常运行还需要重新建立会话（比如在浏览网页的时候需要中断此对话）
    （7）FIN字段：用于会话完毕后，释放连接用的，此时它的值为1

6.TCP报文段的首部的窗口字段负责A与B正式通信之前的协商：

1.A给B发送数据时：
    	 第一次确定A最大接受一个数据包的大（MSS）
         第二次确定B能接受数据包的大小（ＭSS）和B的一次能缓存的大小（win）
    	 第三次确定A的一次能缓存的大小
    2.然后开始正式交流

7.TCP报文段的首部的校验和字段中：  
它的校验和范围是首部和后边数据两部分，在计算校验和的时候，要在TCP报文段加上12个字节为首部来进行计算，但是要将为首部的第四个字段的值17改为6，因为TCP的协议号是6，其他的是和UDP计算的方式是一样的。

8.TCP报文段的首部紧急指针字段中：  
这里的紧急指针只有在保留字段中的URG=1的时候它里边的数值才会起作用。假设现在URG=1，紧急指针的值为50，它的意思表明，有50个字节的紧急数据包需要进行传输，这个50长度的数据包会排在TCP数据部分的前边进行传输。

9.TCP报文段的首部中的选项部分：  
这里的内容其实可有可无，有些数据包TCP头部只有那20个固定的首部，有的首部后边还有一些选项内容，这里边的选项内容可以规定最大数据报文的长度是多少，还可以在确认的时候是否支持选择性确认。选项里边还可以有一些其他的功能：时间戳等等。

最大数据报长度：Maxjmum  seqment  size :xxx  bytes
    允许选择性确认：SACK  permitted

10.TCP报文段的首部中的填充部分：  
如果前边的选项部分长度不够4个字节，填充这里会用一些整数将它的长度填充成4的整数倍。

## 四、TCP协议如何实现可靠传输 ##

1.以字节为单位的滑动窗口技术：A的发送窗口是由B的接受窗口的大小决定的（网络没有拥塞的状况下）  
2.超时重传时间的选择：TCP每发送一个报文段，就对这个报文段设置一次计时器。只要计时器设置的重传时间到了但是还是没有收到确认，就要重传这一报文段。  
超时重传时间是根据网络状况进行变化的

## 五、TCP协议如何实现流量控制 ##

流量控制解决了服务器两端传输数据速度不一样的问题

1.通过调节接收方的接收缓存的接收滑动窗口的大小来控制发送端的发送缓存中的发送滑动窗口的大小。

2.当接收滑动窗口调整为0时，发送滑动窗口的大小也会变为0，这个时候传输就实现了暂停，等待接收端将缓存区的数据读取到应用程序中后，接收端会再次调整接收的滑动窗口的大小并告知发送端，以此循环往复。

3.但是这里有一个小问题就是如果接收端会再次调整接收的滑动窗口的大小的数据包丢失了怎么办？  
答：发送端会定时向接收端发送一个测试的数据包看看接收端的接收的滑动窗口的大小是否有改动来解决这种问题。

## 六、TCP协议如何避免网络拥塞 ##

1.出现资源拥塞的条件：对资源需求的总和>可用资源  
2.拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、所有的路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。  
流量控制往往指在给定的发送端和接收端之间的点对点通信量的控制，它所要做的就是抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接收。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0ODQwMTQ4_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

3.慢开始和拥塞避免：发送方维持拥塞窗口cwnd (congestion window)  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0ODQwMTQ4_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

3.1发送方控制拥塞窗口的原则是:
           ●只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口就再增大-一些，以便把更多的分组发送出去。
             ●只要网络出现拥塞，拥塞窗口就减小一些，以减少注入到网络中的分组数。	
    	  
       3.2：设置慢开始门限状态变量ssthresh ：
          3.21：慢开始门限ssthresh的用法如下:
             当cwnd < ssthresh时，使用慢开始算法。
             当cwnd>ssthresh时，停止使用慢开始算法而改用拥塞避免算法。
             当cwnd = ssthresh时，既可使用慢开始算法，也可使用拥塞避免算法。
             
             拥塞避免算法的思路是让拥塞窗口cwnd缓慢地增大，
             即每经过一个往返时间RTT就把发送方的拥塞窗口cwnd加1，而不是加倍，使拥塞窗口cwnd按线性规律缓慢增长。
          3.22：当网络出现拥塞时：（加入快重传机制前是这么做的，现在已经弃用）
    	   无论在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞(其根据就是没有按时收到确认)，
    	   就要把慢开始广]限ssthresh设置为出现拥塞时的发送方窗口值的一半(但不能小于2)。
    	   然后把拥塞窗口cwnd重新设置为1，执行慢开始算法。
    	   这样做的目的就是要迅速减少主机发送到网络中的分组数，使得发生拥塞的路由器有足够时间把队列中积压的分组处理完毕。
    	   
           必须强调指出“拥塞避免"并非指完全能够避免了拥塞。利用以上的措施要完全避免网络拥塞还是不可能的。
    	   “拥塞避免"是说在拥塞避免阶段把拥塞窗口控制为按线性规律增长，使网络比较不容易出现拥塞。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0ODQwMTQ4_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

3.3：快重传和快恢复：

快重传算法首先要求接收方每收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认。这样做可以让发送方及早知道有报文段没有到达接收方。
    当发送端收到连续三个重复的确认时，就执行“乘法减小”算法，把慢开始门限ssthresh减半，
      但拥塞窗口cwnd现在不设置为1，而是设置为慢开始门限ssthresh减半后的数值，然后开始执行拥塞避免算法(“加法增大”)，使拥塞窗口缓慢地线性增大。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0ODQwMTQ4_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
3.4：发送窗口的实际上限值：

- 发送方的发送窗口的上限值应当取为接收方窗口和拥塞窗口这两个变量中较小的一个，
    - 即应按以下公式确定:发送窗口的上限值=Min[rwnd,cwnd]。

## 七、TCP的传输连接管理 ##

文章的篇幅较长，客官请移步此链接：[TCP协议的三次握手与四次挥手][TCP]

## 八、SYN（洪水）攻击 ##

原理

初始化连接的 SYN 超时问题Client发送SYN包给Server后挂了，Server回给Client的SYN-ACK一直没收到Client的ACK确认，这个时候这个连接既没建立起来，也不能算失败。

这就需要一个超时时间让Server将这个连接断开，否则这个连接就会一直占用Server的SYN连接队列中的一个位置，大量这样的连接就会将Server的SYN连接队列耗尽，让正常的连接无法得到处理。

目前，Linux下默认会进行5次重发SYN-ACK包，重试的间隔时间从1s开始，下次的重试间隔时间是前一次的双倍，5次的重试时间间隔为1s, 2s, 4s, 8s, 16s，总共31s，第5次发出后还要等32s都知道第5次也超时了，所以，总共需要 1s + 2s + 4s+ 8s+ 16s + 32s = 63s，TCP才会把断开这个连接。

由于，SYN超时需要63秒，那么就给攻击者一个攻击服务器的机会，攻击者在短时间内发送大量的SYN包给Server(俗称SYN flood攻击)，用于耗尽Server的SYN队列。

什么是SYN 攻击

SYN 攻击指的是，攻击客户端在短时间内伪造大量不存在的IP地址，向服务器不断地发送SYN包，服务器回复确认包，并等待客户的确认。由于源地址是不存在的，服务器需要不断的重发直至超时，这些伪造的SYN包将长时间占用未连接队列，正常的SYN请求被丢弃，导致目标系统运行缓慢，严重者会引起网络堵塞甚至系统瘫痪。SYN 攻击是一种典型的 DoS攻击。

如何检测 SYN 攻击？

检测 SYN 攻击非常的方便，当你在服务器上看到大量的半连接状态时，特别是源IP地址是随机的，基本上可以断定这是一次SYN攻击。在 Linux/Unix 上可以使用系统自带的netstats 命令来检测 SYN 攻击。

如何防御 SYN 攻击？

SYN攻击不能完全被阻止，除非将TCP协议重新设计。我们所做的是尽可能的减轻SYN攻击的危害，常见的防御 SYN 攻击的方法有如下几种：

缩短超时（SYN Timeout）
    时间增加最大半连接数
    过滤网关防护
    SYNcookies技术

## 九、TCP和UDP的区别 ##

1、基于连接与无连接;UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接

2、TCP保证数据正确性，UDP可能丢包，TCP保证数据顺序，UDP不保证。也就是说，通过TCP连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，且按序到达;UDP尽最大努力交付，即不保证可靠交付Tcp通过校验和，重传控制，序号标识，滑动窗口、确认应答实现可靠传输。如丢包时的重发控制，还可以对次序乱掉的分包进行顺序控制。

3、UDP具有较好的实时性，工作效率比TCP高，适用于对高速传输和实时性有较高的通信或广播通信。

4、每一条TCP连接只能是点到点的;UDP支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信。

5、TCP对系统资源要求较多，UDP对系统资源要求较少。

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[TCP]: https://blog.csdn.net/qq_44840148/article/details/104557249