TCP协议-TCP连接管理

浅浅的花香味﹌ 2024-04-20 12:37 80阅读 0赞

### 一、TCP概述 ###

TCP协议是 TCP/IP 协议族中一个非常重要的协议。它是一种面向连接、提供可靠服务、面向字节流的传输层通信协议。

> TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）。

#### 1.1 TCP协议的特点 ####

（1）TCP 是面向连接的传输层协议。这就是说，通信双方在使用TCP协议进行通信之前，必须先建立TCP连接。在通信结束后，必须释放已经建立的TCP连接。这就好比打电话，通话前要先拨号建立连接，通话结束后要挂机释放连接。

（2）TCP 是点对点（一对一）的连接。每一条TCP连接只能有两个通信端点(endpoint)。所以基于广播和多播（通信目标是多个主机地址）的应用程序不能使用TCP连接。

（3）TCP 提供可靠交付的通信服务。通过TCP连接传递的数据，无差错、不丢失、不重复，并且按序到达。

（4）TCP 提供全双工通信。TCP允许通信双方在任何时候都能发送和接收数据。TCP连接的两端都设有发送缓存和接收缓存，用来临时存放双向通信的数据。在发送时，应用程序在把数据发送给TCP的发送缓存后，就可以做自己的事，而TCP在合适的时候把数据通过网卡发送出去。在接收时，TCP把收到的数据先放入接收缓存，应用层的应用进程在合适的时候再读取缓存中的数据。

（5）TCP 是面向字节流的。TCP中的“流”(stream)指的是流入到进程或从进程流出的字节序列。“面向字节流”的含义是：虽然应用程序和TCP的交互是一次一个数据块（大小不等），但TCP把上层应用程序交下来的数据仅仅看成是一连串无结构的字节序列（就像水流一样）。TCP并不知道所传送的字节流的含义。TCP不保证接收方应用程序所收到的数据块和发送方应用程序所发出的数据块具有对应大小的关系（例如，发送方应用程序交给发送方的TCP共10个数据块，但接收方的TCP可能只用了4个数据块就把收到的字节流交付上层的应用程序）。但是，接收方应用程序收到的字节流必须和发送方应用程序发出的字节流完全相同。因此，接收方的应用程序必须有能力识别接收到的字节流，把它还原成有意义的应用层数据。下图的示意图解释了TCP面向字节流的含义：

![img][]TCP面向字节流的概念

> TCP和UDP在发送报文时所采用的方式完全不同。TCP并不关心上层的应用程序一次把多长的报文发送到TCP的缓存中，而是根据对方给出的窗口值和当前网络拥塞的程度来决定一个报文段应该包含多少个字节（UDP发送的报文段是上层的应用程序给出的）。如果应用程序传送到TCP缓存的数据块太大，TCP就可以把它划分短一些再传送。如果应用进程一次只发来一个字节，TCP也可以等待积累有足够多的字节后再构成报文段发送出去。关于TCP报文段的长度问题，会在下面内容中进行讨论。

#### 1.2 TCP的连接概念 ####

每一条TCP连接都有两个**端点**。TCP连接的端点叫做**套接字(socket)**。根据RFC 793的定义：端口号拼接到(concatenated with)IP地址即构成了套接字。因此，套接字的表示方法为：

**套接字 socket = (IP地址：端口号)**

例如，若IP地址是 192.168.1.112，而端口号是 80，那么得到的套接字就是(192.168.1.112: 80)。

每一条TCP连接唯一地被通信两端的两个端点（即两个套接字）所确定。即：

**TCP连接 ::= \{socket1, socket2\} = \{(IP1: port1), (IP2: port2)\}**

> IP1 和 IP2 分别是两个端点主机的IP地址，而port1 和 port2 分别是两个端点主机中的端口号。TCP连接的两个套接字就是socket1 和 socket2。

### 二、TCP报文段的首部(头部)结构 ###

TCP虽然是面向字节流的，但是TCP传送的数据单元却是报文段。一个TCP报文段分为首部和数据两部分，而TCP的全部功能都体现在它首部中各字段的作用。因此，只有弄清楚TCP首部各字段的作用才能掌握TCP的工作原理。

> 这里再讲一下“面向字节流”的含义，是指应用层上的应用程序将数据（这些数据可能是有结构层次的）传递给传输层的TCP时，TCP只把这些数据看做是一连串的字节流，而不会去关心这些数据是什么结构的。

TCP报文段首部的前20个字节是固定的，后面有4n字节是根据需要而增加的选项（n是整数）。因此TCP的首部的最小长度是20字节。

下图显示了TCP首部的数据格式。如果不计选项字段，TCP首部的大小通常为20字节。

每个TCP首部都包含源端和目的端的端口号，大小均为16bit，用于寻找发送端和接收端应用进程。这两个值+IP首部中的源端IP地址和目的端IP地址，就可以唯一确定一条TCP连接。

![img][img 1]TCP报文段的首部格式

#### 2.1 TCP首部固定部分各字段的含义 ####

（1）**源端口和目的端口**：各占2字节，分别写入源端口号和目的端口号。和UDP的首部类似。

（2）**序号**：占4字节。序号范围是 \[0, 232-1\]，共232（即4 294 967 296）个序号。序号增加到(2^32-1)后，下一个序号就又回到0。也就是说，序号使用 mod 2^32 运算。TCP是面向字节流的，在一个TCP连接中传送的字节流中的每一个数据字节都按顺序编号。整个要传送的字节流的起始序号必须在TCP连接建立时设置。首部中序号字段值指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。

> 例如，某个TCP报文段的首部序号字段值是301，而这个报文段携带的数据共有100字节，那么最后一个字节的序号是400。显然，下一个报文段（如果还有的话）的数据序号应当从401开始，即下一个报文段的序号字段值是401。这个字段的名称就叫做“报文段序号”。

（3）**确认号**：占4字节。是期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号值。

> 例如，B正确收到了A发送过来的一个报文段，其序号字段值是501，而数据长度是200字节（序号501~700）。这表明B正确收到了A发送的到需要700为止的数据。因此，B期望收到A的下一个数据字节序号是701，于是B在发送给A的确认报文段中把确认号设置为701。请注意，现在的确认号不是501，也不是700，而是701。总之，应当记住：
> 
> 若确认号 = N，则表明：到序号 N-1 为止的所有数据都已正确收到。
> 
> 由于序号字段有32位长，可对4GB的数据进行编号。在一般情况下，可保证当序号重复使用，旧序号的数据早已通过网络到达终点了。

（4）**数据偏移**：占 4 bit。这个字段用于记录TCP报文段的首部长度。由于TCP报文段的首部结构中还有长度不确定的选项字段，因此数据偏移字段是必要的。当应注意的是，“数据偏移”的单位是32位字（即为4字节的字长为计算单位）。由于4位二进制能够表示的最大十进制数是15，因此数据偏移的最大值是60字节，这也是TCP报文段首部的最大长度（即选项字段长度不能超过40字节）。一般情况下，TCP首部的长度为20字节。

（5）**保留**：占6位。保留为今后使用，但目前应置为0。

（6）6个**控制位**，用来说明本报文段的性质，它们各自的含义如下：

*  ***\*紧急URG\****：(Urgent Pointer)紧急指针字段。当URG=1时，有效。它告诉系统此报文段有紧急数据，应尽快传送（相对于高级优先的数据），而不要按原来的排队顺序来传送。当 URG置1时，发送应用进程就告诉发送方的TCP有紧急数据要传送。于是发送方TCP就把紧急数据插入到本报文段数据部分的最前面，而在紧急数据后面的数据仍是普通数据。这时要与首部中紧急指针(Urgent Pointer)字段配合使用。

> 例如，已经发送了很长的一个程序要在远地的主机上运行。但后来发现了一些问题，需要取消该程序的运行。因此用户从键盘发出中断命令(ctrl + c)，如果不使用紧急数据，那么这两个字符将存储在接收TCP的缓存末尾。只有在所有的数据都被处理完毕后这两个字符才被交付给接收方的应用进程，这样做就浪费了许多时间。

*  **确认ACK**：(ACKnowledgment) 当 ACK=1时，确认号字段才有效。当ACK=0时，确认号无效。TCP规定，在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK置1。
 *  **推送PSH**：(Push) 当两个应用进程进行交互式的通信时，有时在一端的应用进程希望在键入一个命令后立即就能够收到对方的响应。在这种情况下，TCP就可以使用推送(push)操作。这时，发送方TCP把 PSH 置 1，并立即创建一个报文段发送出去。接收方TCP收到 PSH=1 的报文段后，就尽快地交付给接收方的应用进程，而不再等到整个缓存都填满后再向上交付。

> 虽然应用程序可以选择推送操作，但推送操作很少使用。

*  **复位RST**：(ReSeT) 当RST=1时，表明TCP连接出现严重差错（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立TCP连接。RST置1，还可用来拒绝一个非法的报文段或拒绝打开一个TCP连接。RST也可称为重建位或重置位。我们将携带RST标志的TCP报文段称为复位报文段。
 *  **同步SYN**：(SYNchronization) 在TCP连接建立时用来同步序号。当 SYN=1，ACK=0时，表明这是一个连接请求报文段。对方若同意建立连接，则应在响应报文段中使用 SYN=1，ACK=1。因此，SYN置为1，就表示这是一个连接请求或连接接受报文段。我们将携带SYN标志的TCP报文段称为同步报文段。关于TCP连接的建立和释放，会在下面的部分进行详细的讨论。
 *  **终止FIN**：(FINish) 原来关闭一个TCP连接。当 FIN=1 时，表明此报文段的发送方的数据已经发送完毕，通知对方本端要关闭连接了。我们将携带FIN标志的TCP报文段称为结束报文段。

（7）**窗口**：占2字节。窗口值是 \[0, 2^16-1\]之间的整数值。窗口字段指的是发送本报文段的一方的接收窗口(Receiver Window, RWND)（而不是自己的发送窗口）。窗口值告诉对方：本端的TCP接收缓冲区还能容纳多少字节的数据，这样对方就可以控制发送数据的速度。之所以要有这个限制，是因为接收方的数据缓存空间是有限的。总之，窗口值是接收方目前允许发送方发送的数据量（以字节为单位），作为发送方设置其发送窗口的依据。

> 例如，发送了一个TCP报文段，其确认号是701，窗口字段值是1000。这就是告诉对方：从701号算起，我方（即发送此报文段的一方）的接收缓存空间还可接收1000个字节的数据（字节序号是701~1700），你在给我发送数据时，必须考虑到这一点。
> 
> 总之，记住：窗口字段明确指出了 现在允许对方发送的数据量。窗口值经常在动态变化着。

（8）**校验和**：占2个字节。由发送方填充该字段，校验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。接收端对TCP报文段执行CRC算法以检验TCP报文段在传输过程是否有损坏，校验和检测也是TCP提供可靠传输的一个重要保障。和UDP数据报一样，在计算校验和时，要在TCP数据报的前面加上12字节的伪首部。TCP伪首部的格式和UDP用户数据报的伪首部格式一样，但应把伪首部第4个字段中的17改为6,（TCP的协议号是6），把第5个字段的UDP长度改成TCP长度。接收方收到此报文段后，仍要加上这个伪首部来计算校验和。若使用IPV6，则相应的伪首部也要改变。

![img][img 2]UDP用户数据报的首部和伪首部

（9）**紧急指针**：占2个字节。紧急指针字段仅在 URG=1 时才有意义。它指出本报文段中紧急数据的字节数（紧急数据都是放在TCP报文段数据部分的前面，紧急数据结束后才是普通数据）。该字段值和序号字段相加表示最后一个紧急数据的下一个字节的序号值。当所有紧急数据都处理完时，TCP就告诉应用程序恢复到正常操作。值得注意的是，即使窗口值为0时也可发送紧急数据。

（10）**选项**：TCP头部最后一个选项(options)字段是可变长的可选信息，最长可达40字节，因此TCP首部最长是60字节。当没有使用“选项”字段时，TCP首部长度是20字节。

#### 2.2 TCP首部选项字段结构 ####

TCP首部结构的最后一个选项（Options）字段是一个可变长的可选信息。

上面我们已经知道，在TCP报文段的首部有一个“数据偏移”字段，占 4 bit位，最大能表示的十进制数为 15，单位为32位字（也就是4字节），因此数据偏移字段的最大值是60字节。该字段的含义是TCP报文段的首部长度。

因此，TCP首部选项字段的最大长度 = 60字节 - 首部固定大小的20字节 = 40字节。

典型的TCP首部选型字段的结构示意图如下所示：

[img]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/08/280b8c74d12d4c8898fba5d50b78e7aa.png
[img 1]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/08/08beb882f20b49dba34ff0e33559d8c7.png
[img 2]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/08/23199007b7a84321960858e5aec20e54.png