计算机网络（三） TCP协议详解

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1、概述

​ TCP协议全名是 Transport Control Protocol ，是一个可以提供 可靠的、支持全双工、连接导向的协议，因此在客户端和服务端之间传输数据的时候，是必须先建立连接的。

1.1、什么是建立连接

• 连接本身是个虚拟、抽象的概念。他能让两个通信的程序之间确保彼此都在线
• 建立连接可以加快相应请求的速度
• 连接也被称为 会话（Session）
• 建立连接可以使得通信更加的稳定、安全
• 但是同样建立连接也会消耗相应的资源

1.2、单工、半双工、全双工

• 单工: 任何时刻数据只能单向传输
• 半双工：允许数据在两个方向上传输， 但是在某一个时刻（同一时刻），只允许数据在一个方向上传输。
• 全双工： 任何时刻数据都可以双向传输。

1.3、可靠性

• 可靠性是为了保证数据的无损传输
• 使用无序的数据恢复原有顺序
• 多播时每个接收方都获得无损的副本。

2、特点

• 1、基于连接的（点对点的通信）

  • 传输数据之前是要建立好连接的

• 2、是双工通信的

  • TCP协议一旦建立连接， 就可以在连上上实现双向的通信

• 3、基于字节流而非报文--保证了TCP协议的可靠性

  • 将数据按字节大小进行编号，接收端通过ACK来确认收到的数据编号，通过这个机制保证TCP协议的有序性和完整性

• 4、拥塞控制

  • TCP协议通过 慢启动、拥塞避免、拥塞发生、快速恢复 在不同的过程中的算法来控制拥塞的

• 5、流量控制能力

  • 通过滑动窗口控制数据的发生速率，滑动窗口的本质是动态缓冲区，接收区根据自己的能力在 TCP 的请求头header中动态调整窗口大小，通过ACK应答包通知到给发送端，发送端根据窗口的大小调控发送速率。

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3、TCP协议详解

在解释TCP工作流程之前呢， 先解释一下几个名词，这样更有助于我们去了解其过程。

3.0、TCP首部信息组成以及各个部分的作用

下图是TCP协议报文段的组成图片

3.0.1、源端口和目的端口

• 源端口，用来存放 发送TCP报文的进程对应的端口号。占 2个字节（16位）
• 目的端口，用来存放 接受TCP报文段的进程对应的端口号。 占 2个字节（16位）

3.0.2、32位序列号 Sequence Number

• 占用4个字节（一个字节（byte）8个比特位（bit））。
• TCP的序列号对数据包进行标记，以便达到目的地后重新组装数据包，假设当前序列号为 s ，发送数据长度为 l,则下一次发送数据时的序列号为 s+l 。
• 在建立连接时通常由计算机生成随机数作为序列号的初始值。

3.0.3、32位确认号 Acknowledgement Number

• 占用 4个字节（一个字节（byte）8个比特位（bit））
• 是有接收端计算机使用，用于重组分组的报文成最初形式。
• 如果设置了ACK控制位， 那么这个值表示准备接受的下一个包的序列号

3.0.4、数据偏移 offset

• 占用4位，即0.5个字节
• 这部分实际上是指出TCP报文的首部的长度，即TCP报文段数据起始位置距离TCP报文的起始位置有多远（这里指 TCP拆包后的报文段的起始位置 与 TCP整个报文的起始位置有多远）

3.0.5、保留字 Reserved

• 占6位，即 0.75个字节
• 保留为以后使用，当前是值为零。

3.0.6、标志位 Tcp Flags

• 每个标志位占1 位，一共6个标志位 。即 1.5个字节。
• URG - 紧急指针有效标识
  • 此标志位用来表示TCP包的紧急指针域有效，用来保证TCP连接不会被终端，并且督促中间层设备要尽快处理这些数据。相当于告诉接收端，有高优先级的数据。
• ACK - 确认序号有效标识
  • 只有当ACK=1的时候，确认号字段才有效。
  • 当ACK=0的时候，确认号是无效的。
• PSH - 用来表示接收方应尽快将这个报文段交给应用层
  • 接收到PSH = 1 的TCP报文段， 应尽快的交付接收报文段的应用进程， 而不再等待整个缓存都填满后再交付
• RST - 重建连接标识
  • 当 RST = 1 时，表明TCP连接出现严重错误（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新简历连接。
• SYN - 表示同步序号，用来建立连接。
  • 当 SYN = 1 时，表示这是一个连接请求或者连接接受请求。
• FIN - 发送完成任务标识，用来释放一个连接
  • 当 FIN = 1 表明此报文段的发送端和数据已经发送完成了

3.0.7、窗口大小 Window Size

• 占 16位 即两个字节
• 该字段表明指出了现在允许对方发送的数据量，他告诉对方本端TCP连接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。
• 窗口大小的值 指的是 从本报文段的首部中的确认号算起， 接方法目前允许对法发送的数据量。

3.0.8、校验和 TCP Checksum

• 占用16位，即两个字节。
• 由发送端填充，接收端对TCP报文段执行CRC算法，以校验TCP报文段在传输过程中是否损坏，如果损坏则丢失。
• 检验范围包括首部和数据两个部分
• 这也是TCP可靠性的一个重要保障。

3.0.9、紧急指针 Urgent Pointer

• 占用16位，即两个字节
• 这部分仅在标志位 URG = 1的时候才有意义，他指出本报文段中的数据的字节数。
• 当URG = 1 时，发送方TCP就把紧急数据插入到本报文段数据的最前面，而在紧急数据后面任然是普通数据。
• 因此， 紧急指针指出了数据的末尾在报文段中的位置。

3.1、TCP协议的三次握手四次挥手

参考文档 :https://www.cnblogs.com/qdhxhz/p/8470997.html

先看一下TCP从建立连接到传输数据到断开连接的完整过程

3.1.0、三次握手建立连接的过程

流程如下:

• 第一次握手（由客户端发起的）

  • 客户端发送 SYN=1 seq = x 的请求建立连接的报文
    • （SYN 标志位中的同步序列号，用来建立连接的）
    • seq 是 32位序列号 Sequence Number，即在建立连接的时候， 随机生成的初始序列号x。
  • 此时，客户端进程进入了 SYN-SENT(同步已发送状态)状态
  • 此次建立连接的报文是不能携带数据的。

• 第二次握手（由服务端发起）

  • 服务器接收到请求建立连接的报文后，如果同意连接， 则发出确认报文。
    • 标志位 ACK = 1， 确认号 ack = x+1，这个确认号为 x+1 就是基于上面请求的的seq随机生成的初始序列号+1得出的。
    • 标志位 SYN = 1， 确认号 seq = y , 这个seq 也是服务端自己随机生成的一个初始序列号。
  • 此时 , 服务器进程进入到 SYN-RCVD(同步收到状态)的状态。
  • 这个报文也不能携带数据。

• 第三次握手（由客户端发起）

  • 客户端收到 服务器发送的的确认报文后， 还要再向服务器发送确认报文。
    • 标志位ACK = 1 , 确认号ack = y+1 ,序列号 seq = x+1
  • 此时 TCP连接建立，客户端和服务端都进入 ESTABLISHED（连接已建立） 状态。

• 举例解释一下为什么要三次握手

  • 当客户端发送第一个连接的请求报文， 但是由于网络不好，这个请求没有立即到达服务器， 而是在某个节点停留了，知道某个时间才到达服务器，本来这已经是一个失效的报文了， 但是 服务端接收到这个请求报文后，还是会像client 发出确认报文，表示同意建立连接。
  • 假设 不采用三次握手，那么只要服务器发出去确认报文，新的连接就建立了，但是其实这个请求已经超时并失效了，客户端是不会理睬服务器的确认信息的 ，也不会向服务端发送确认的请求。
  • 但是此时的服务器是已经认为连接建立了， 换句话说就是处于ESTABLISHED（连接已建立）的状态，并且一直在等待客户端发来数据。
  • 这样的话， 服务器端就有很多资源浪费了。
  • 而采用三次握手的话， 服务端如果收不到确认报文话，就知道客户端没有服务端建立连接不成功了。

3.0.2、TCP 数据传输过程

客户端 与 服务端 建立连接之后，就可以相互传输数据了。

• 如上图所示，正常传输数据的过程如下：

  

  • 主机A 开始发送数据的时候，假设初始的 seq = 1200 ,滑动窗口大小为100，向主机B发送数据传递
  • 主机B在完全接收到数据后， 为了确认收到 ，需要向主机A 发送ACK包，设置的 值为 1200+100+1 .
    • ACK = seq + 传递数据的字节数 + 1
  • 主机A在接收到 主机B 的确认信息后，开始发送下个报文， 此时 seq = 1301 ，同样滑动窗体的大小为100的数据。
  • .......
  • 注: 与 三次握手协议相同， 最后加1 是为了告诉对象要传递 seq信号的。

• 如上图所示 ， 数据丢包的情况过程如下：

  

  • 在 seq = 1301 数据包向主机B 传递 100字节的数据，但中间发生了错误，主机B 未收到。
  • 经过一段时间的等待后， 主机A 任然未收到 Seq = 1402 的确认号，此时就会尝试数据重新传递。
  • 为了完成数据包的重传， TCP Socket套接字每次发送数据包时都会启动定时器， 如果在一定时间内没有收到目标主机的传回的ACK包， 那么定时器超时， 数据包会重传。

3.0.3、四次挥手断开连接

• 首先TCP连接断开， 是一个客户端主动关闭， 服务端被动关闭的过程。

• 关闭连接需要经过4次会话，具体的流程如下：

  • 第一次挥手

    • TCP 连接的客户端发送一个 标志位FIN(结束)=1 的报文，用来请求关闭客户端到服务端的连接。
    • 客户端进程发出释放连接的报文。 释放连接报文的首部，FIN =1,其序列号是 seq = u (序列号等于前面已传送过来的数据的最后一个字节的序号加1)
    • 客户端在发送释放连接的请求后进入FIN-WAIT-1（终止等待1）的状态。
    • TCP协议规定， FIN 报文即时不携带数据也要消耗一个序号。

  • 第二次挥手

    • 服务端收到客户端发送的FIN报文时，客户端会先发送一个 ACK（确认）的报文给客户端。
    • 服务端回复的ACK报文中， ACK = 1 ，seq = v , ack = u + 1 。
      • ACK = 1 表示确认报文
      • ack = u + 1 是针对上面第一次挥手服务端的 seq = u 再加上1
      • seq = v 是服务端自己随机生成的序列号。
    • 此时，服务端就进入到CLOSE-WAIT(关闭等待状态)。
      • TCP 会通知上层应用进程， 客户端向服务器的方向就释放了。
      • 此时，是处于半关闭状态， 即客户端已经没有数据要发送了， 但是服务器若要发送数据，客户端依然要接收。
      • 这个状态还要持续一段时间， 也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
    • 客户端 在接收到服务器的 断开连接的确认ack报文后，此时
      • 客户端就进入了FIN-WAIT-2(终止等待2)状态，等待服务器发送连接释放报文。

  • 第三次挥手

    • 服务端发送完 ACK 报文后，在确认数据传输完毕后，会发送一条 FIN（结束）的报文到客户端。
    • 由于处于半关闭状态， 服务器可能又发送可一些数据，假定此时的序列号为 seq = w
    • FIN = 1 , ack = u + 1 。
    • 此时， 服务器就进入 LAST-ACK(最后确认)状态了。

  • 第四次挥手

    • 最后， 客户端收到了服务端的FIN = 1 的报文后，知道客户端已经没有数据需要传输了，由客户端最后再向服务器发送 ACK = 1 的确认报文。并 ack = w(服务端发送的seq)+1 以及 seq = u+2.
    • 此时 客户端进入 TIME-WAIT（时间等待）状态。
    • 注意，此时TCP 连接还没有释放， 必须经过 2 ** MSL(最长报文段寿命) 的时间后， 当前客户端撤销相应的TCB后才进入 CLOSED状态。
    • 服务器端只要接收到客户端发送的确认， 就立即进入CLOSED状态。
    • 综上所述： 服务器端结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

• 思考（一）：为什么是 4次挥手？

  • 首先肯定是为了保证数据能个完成全部的传输过程。
  • 当关闭连接时， 当收到对方发送的FIN报文是， 仅仅表示对方没有数据发送给你了。但未必是你发送给对方的数据是否全部发送完毕了，所以你未必可以马上就关闭SOCKET 套接字。所以你可能需要继续传输数据给对方。数据发送完完毕后再发送一个FIN报文给对方。 所以此时服务端的 ACK报文 和 FIN 报文是分开来发送的。

• 思考（二）：数据传输过程中客户端突然挂了怎么办？

  • 正常连接时， 客户端会挂了，如果没有措施处理这种情况的话， 那么就会出现客户端和服务端出现长时间空闲挂起。
  • 解决办法就是在服务器端设置保活计时器，每当服务器收到客户端的消息， 就将计时器复位。计时器的超时时长通常设置为2小时。
  • 如果服务器超过2小时没收到客户端的消息， 他就发送探测报文段，若发送10个探测报文段， 每个相隔75s，还没有相应， 就认为客户端出现故障了， 因而终止该连接。

• 思考（三）: 为什么客户端最后还要等待 2MSL?

  • MSL(Maximun Segment Lifetime) 最长报文寿命

  • 1、保证客户端发送的最后一个ACK报文能够顺利服务器，因此这个报文在数据传输过程中可能会丢失

    • 站在服务器角度来看，服务器已经发送了FIN+ACK 报文请求断开了， 客户端没有给我相应，应该是我发送的请求断开的报文，客户端没有接收到， 于是服务器又会重新发送一次，而客户端就可以再2MSL时间内， 重传这个报文，接着给出ACK报文后， 会重启2MSL计时器。

  • 2、防止已经失效的连接请求报文段出现在在本连接中。

    • 客户端发送完最后一个确认报文后，在这个2MSL时间中， 就可以是本连接吃的时间内所产生的所有报文段都从网络中小时。这样新的连接中不会出现连接的请求报文。

  • 3、那么等待2MSL 就一定没问题了嘛？

    • 不，还有一个超时机制， 超时了，即使没有收到回复也会关闭连接。

• 思考（4）: SYN(洪流)攻击（后面有机会再补充）？