计算机网络笔记------TCP传输控制协议（1）

计算机网络笔记------TCP传输控制协议（1）

• • 概述
  • TCP连接结构
  • • 状态变量的初始化
    • 套接字（Socket）
    • 缓存
  • 报文结构
  • • 首部结构
    • • 选项结构
      • 填充字段
    • 数据

概述

TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。是面向应用与进程之间的全双工数据流通信，传输过程建立在稳定的网络连接的基础上，使用三次握手的方式建立连接，四次挥手的方式断开连接，同时还具有流量控制的、拥塞控制等特点。其位于层次结构的传输层位置。

TCP连接结构

状态变量的初始化

应用与进程在建立连接时，先是通过“三次握手”建立连接，而这一握手的过程实际是数据报文的传输与应答，而为了维持这一过程就需要诸多的TCP状态变量来描述。

套接字（Socket）

传输的双方使用一种名为套接字结构来进行端点之间的逻辑描述，其由端点处的IP地址与端口号来描述，在实际的实现中，这一结构被写到报文段中进行用于建立连接。

缓存

当连接建立完成后，端与端之间的通信就可以进行了，在发送与接受的双方都会设置一个缓存区域，用于暂存传输的报文数据，并实现异步的处理与流量控制（可以根据缓存区的情况来控制数据的接受与发送）。

综上述，一个完整的TCP连接包含了两个通信端，每一个通信端都含有状态变量，套接字与缓存区，而在连接之间是以数据报文的传输来进行数据通信的。

报文结构

基于层次模型，TCP的报文数据是要由IP协议进行传输的所以，TCP的报文封装到了IP协议的报文结构中，位于IP报文的数据段中，而TCP报文结构同样分为两段，一个首部段，一个数据段。

首部结构

报文的结构以4字节32位进行对齐，前20字节为固定的首部结构。

各个字段的描述：

1. 源端口，16位（0~65535）发送报文端的端口号。
2. 目的端口，16位（0~65535）目的端的端口号
3. 序列号，32位，在数据传输中，由于是分段进行的数据流传输，所以传输的每一个字节会有一个编号用于数据校验与保证可靠传输，这一字段为数据段中第一个字节的编号。
4. 确认号，32位，用作对另一方发送的tcp报文段的响应。其值是期望收到对方的下一个报文段的数据的第一个字节的序号。
5. 数据偏移（首部长度），4位（0~15），用于描述TCP报文的首部长度（20字节固定端+可选的选项端）（数据偏移：报文段的数据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远），其中长度单位是32 位字（以 4 字节为计算单位），所以首部的范围为20字节到60字节之间，后面的选项段最大为40字节。
6. 保留段，6位，暂时未用。
7. 标志字段URG（紧急），URG=1，表明紧急指针字段有效。说明报文段中有紧急数据，应尽快传送(相当于高优先级的数据)。
8. 标志字段ACK（确认），只有当 ACK = 1 时确认号字段才有效。当ACK = 0 时，确认号无效。
9. 标志字段PSH（推送），接收端收到 PSH = 1 的报文段，就尽快地交付接收的应用进程，不再等到整个缓存都填满了后再向上交付。
10. 标志字段RST（复位），当 RST = 1 时，表明 TCP 连接中出现严重差错（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立运输连接。
11. 标志字段SYN（同步），同步 SYN = 1 表示这是一个连接请求或连接接受报文。
12. 标志字段FIN（终止），用来释放一个连接。FIN = 1 表明此报文段的发送端的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。
13. 窗口字段，16位，用来控制对方发送的数据量，单位为字节。
14. 校验和，16位，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。在计算检验和时，要在 TCP 报文段的前面加上 12 字节的伪首部。
15. 紧急指针，16位，指出在本报文段中紧急数据共有多少个字节（紧急数据放在本报文段数据的最前面）。

选项结构

选项的结构是以8位一字节为对齐单位，但是选项的最大长度还要保持在上文所述的40字节，选项分为单字节类型与多字节类型，单字节类型由一个字节组成，说明选项的类型号，多字节类型有三个部分，分别是选项的类型（1字节），长度（1字节），选项值（可能有多个字节）。下面列举常见的几种类型：其中kind为0的时候表示选项表结束。

1. 类型1是空操作项，一般用于填充对齐。
2. 类型2最大报文段长度，连接初始化的时候，双方会使用该选项来确定传输中报文的最大长度（Max Segment Size，MSS），一般设置为MTU-40（Maximum Transmission Unit，MTU，最大传输单元，指一种通信协议的某一层上面所能通过的最大数据包大小），40是IP报文与TCP报文的头部大小。选项总长4字节。
3. 类型3窗口扩大因子，连接的初始化的时候，使用这一选项来进行窗口扩大因子的确认。在实际的数据传输中为了获得更大的吞吐率，窗口会在适时的时候进行扩大，新的窗口值（W）使原有窗口值（w）左移选项中的位数（o）后得到的：W=w<<o（乘以2的o次方）（o的取值最大为14）。选项总长3字节。
4. 类型4选择性确认，该选项用于在连接初始化时表示是否支持选择性确技术（当出现数据包丢失时，TCP会将最后确认的报文后续的所有报文重发，但是在这些报文中往往有部分已近被接收了，所以通过选择性的告知发送方那些已经接收到了，来提高传输效率，避免重复发送）。选项总长2字节。
5. 类型5是选择性确认的具体确认选项，该选项中包含了已收到的不连续的数据块，每一块由两个部分组成，分别是数据块最左边的报文序号，和数据块最右边的报文序号，一个序号占4字节，一个数据块占8字节（总体长度还在40字节内）。选项的总长度为8n+2，n为数据块的数量。
6. 类型8时间戳，分为时间戳字段与回显时间戳字段，每个字段4字节，分别表示发送时的时间戳与接受时的时间戳，在接受方发送应答报文时会把接收时的时间戳发回，由此可以计算通信双方之间的回路时间（Round Trip Time，RTT），选项的总长度为10。

填充字段

在报文的头部结尾，为了保持字节的对齐，会在末尾进行字段的填充。这一字段为填充字段。

数据

紧跟着报文头部后面的就是数据部分了，这一段就是报文信息的主体部分，相关的数据长度已经在头部中确定好了。