TCP/IP 详解笔记

最早的 TCP 协议文档是 RFC793。
TCP 提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。
面向连接容易理解，那么什么是字节流服务呢？
答：两个应用程序通过 TCP 连接交换 8 bit 字节构成的字节流。TCP 不在字节流中插入记录标识符。我们将这成为字节流服务（byte stream service）。另外，TCP 对字节流的内容不作任何解释。TCP 不知道传输的数据字节流是二进制数据，还是 ASCII 字符、EDCDIC 字符或者其他类型数据。对字节流的解释由 TCP 连接双方的应用层解释。这种对字节流的处理方式与 Unix 操作系统对文件的处理方式很相似。Unix 内核对一个应用读或写的内容不作任何解释，而是交给应用程序处理。对 Unix 的内核来说，它无法区分一个二进制文件与一个文本文件。

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（UDP 协议中，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）。
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。这也就是所谓的超时及重传策略。
3. 当 TCP 收到发自 TCP 连接另一端的数据时，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。
4. TCP 将保持它首部和数据的校验和。这是一个端到端的校验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的校验和有差错，TCP 将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段，以便发端收取确认响应时超时并重发。
5. 因为 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。如有必要，TCP 将对收到的数据进行重新排序，以正确的顺序交给应用层。
6. IP 数据报也可能会发送重复，所以 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容纳的数据。这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。

TCP 首部


如果不计任选字段，TCP 首部通常是 20 个字节。

1. 序号用来标识从 TCP 发端向 TCP 收端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的第一个数据字节。如果将字节流看作在两个应用程序间的单向流动，则 TCP 用序号对每个字节进行计数。序号是 32 bit 的无符号数，序号到达 2^32 -1 后又从 0 开始。

2. 当建立一个新连接时，SYN 标志变 1。序号字段包含由这个主机选择的该连接的初始序号 ISN（Initial Sequence Number）。该主机要发送数据的第一个字节序号为这个 ISN 加 1，因为 SYN 标志消耗了一个序号（FIN 标志也要占用一个序号）。

3. 既然每个传输的字节都被计数，确认序号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号。只有 ACK 标志为 1 时确认序号字段才有效。发送 ACK 无需任何代价，因为 32 bit 的确认序号字段和 ACK 标志一样，总是 TCP 首部的一部分。因此，我们看到一旦一个连接建立起来，这个字段总是被设置，ACK 标志也总是被设置为 1。TCP 为应用层提供全双工服务。这意味着数据能在两个方向上独立地进行传输。因此，连接的每一端必须保持每个方向上的传输数据序号。

4. TCP 可以表述为一个没有选择确认或否认的滑动窗口协议（滑动窗口协议用于数据传输）。我们说 TCP 缺少选择确认是因为 TCP 首部中的确认序号表示发方已成功收到字节，但还不包含确认序号所指的字节。当前还无法对数据流中选定的部分进行确认。例如，如果 1 ~ 1024 字节已经成功收到，下一报文段中包含序号从 2049 ~ 3072 的字节，收端并不能确认这个新的报文段。它所能做的就是发回一个确认序号为 1025 的 ACK。它也无法对一个报文段进行否认。例如，如果收到包含 1025 ~ 2048 字节的报文段，但它的校验和错，TCP 接收端所能做的就是发回一个确认序号为 1025 的 ACK。而重复的确认可以帮助发端确定分组已经丢失。

5. 首部长度给出首部中 32 bit 字的数据。需要这个值是因为任选字段的长度是可变的。这个字段占 4 bit，因此 TCP 最多有 60 字节的首部。然而，没有任选字段，正常的长度是 20 字节。

6. 其他首部字段
   | 字段名 | 字段作用 |
   | URG | 紧急指针（urgent pointer）有效 |
   | ACK | 确认序号有效 |
   | PSH | 接收方应该尽快将这个报文段交给应用层 |
   | RST | 重建连接 |
   | SYN | 同步序号用来发起一个连接 |
   | FIN | 发端完成发送任务 |

7. 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。后面还有新的窗口刻度选项，它允许这个值按比例变化以提供更大的窗口。

8. 校验和覆盖了整个 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 校验和的计算和 UDP 校验和的计算相似。

9. 只有 URG 标志置为 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。

10. 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。

11. 从上图中可以看出：TCP 报文段的数据部分是可选的。所以我们可以从建立连接到连接终止都使用没有数据的报文段。