計算機網絡（九）：傳輸層之傳輸控制協定——TCP（上）

一、TCP協定的主要特點

1. 面向連接配接的傳輸服務

   相比于UDP面向無連接配接的協定，面向連接配接的TCP協定更加可靠，提高系統資料傳輸的可靠性。使用TCP傳送資料之前，需要在源程序端口與目的程序端口之間建立一條傳輸通道。

2. 面向位元組流的傳輸協定，即支援位元組傳輸

   TCP協定同樣建立在不可靠的網絡層IP協定之上，IP協定不能提供任何可靠性機制，是以TCP的可靠性完全由自己決定。如圖為TCP協定支援位元組流傳輸的過程。

   

   應用程式和TCP每次互動的資料長度可能都不相同，但TCP将送出的資料都看成是一連串的、無結構的位元組流。發送方和接收方都需要使用緩存，發送方使用發送緩存存儲從應用發送來的資料。發送方将幾個寫操作組合成一個封包段，然後送出給IP協定，由IP協定封裝成IP分組後傳輸給接收方。

   接收方IP将接收到的IP分組進行拆分後，将資料字段送出給接收方TCP，TCP将接收的位元組存儲到接收緩存中，應用程式使用讀操作将緩存中的資料讀出。

3. 支援全雙工服務

   TCP通信在發送資料時順便把确認資訊捎帶傳送。TCP提供全雙工服務，即資料可以在同一時間雙向流動，每一方向TCP都有發送和接收緩沖區，能在雙向發送和接收段。

4. 支援建立多個并發的TCP連接配接

   TCP協定支援一個伺服器與多個用戶端同時建立多個TCP連接配接，也支援一個用戶端與多個伺服器同時建立多個TCP連接配接。

5. 支援可靠傳輸服務

   TCP是一種可靠的傳輸服務協定，它使用确認機制檢查資料是否安全、完整地到達，并提供擁塞控制功能。TCP支援可靠資料通信的關鍵是對發送和接收的資料位元組進行跟蹤、确認與重傳。

   TCP協定建立在不可靠的網絡層IP協定之上，一旦IP協定及以下層出現傳輸錯誤，TCP協定隻能進行重傳。

   

   總而言之，TCP協定是面向連接配接、面向位元組流、支援全雙工、支援并發連接配接、提供确認重傳與擁塞控制的可靠傳輸層協定。

二、TCP封包格式

TCP的封包格式如下所示。

發送序号：TCP是面向位元組流的，是以會為發送位元組流中的每個位元組都按順序編号，發送序号告訴接收端，在這個序列中哪個位元組是該段的第一個位元組。

确認序号：指出接收方希望下一次接收的位元組序号，表示一個程序已經正确接收了序号N之前（不包含N）的位元組，要求發送序号N的位元組的封包段。

報頭長度：TCP報頭長度以4位元組為一個機關進行計算，報頭長度的範圍在20位元組到60位元組之間，是以其值在5到15之間。

控制字段：6種不同的控制位或标記的意義如下圖所示。

視窗：定義了對方必須維持的視窗的大小（以位元組為機關）。這個值通常稱為接收視窗，由接收方确定，發送方必須服從接收端的支配。

校驗和：TCP校驗和計算過程和UDP計算過程一緻，都需要加上僞報頭。不同在于，TCP的校驗和的必須的，而UDP的校驗和是可選的。

緊急指針：包含了緊急資料。

選項：TCP頭部有多達40個位元組的可選資訊。

PS：TCP最大段長度（MSS）：指的是封包資料部分的最大長度，不包含報頭。

三、TCP連接配接建立與釋放

TCP連接配接包括連接配接建立、封包傳輸與連接配接釋放3個階段。

1. TCP建立連接配接——三次握手

   TCP建立連接配接的過程被稱為“三次握手”，其示意圖如下所示。

   用戶端發送第一個**“SYN”封包（控制位SYN=1）。“SYN”封包包括源端口号和目的端口号，以及一些連接配接參數。“SYN=1”表示Connection Request。

   伺服器接收到“SYN”封包後，如果同意建立連接配接，向用戶端發送第二個封包“SYN+ACK”封包（控制位SYN=1，ACK=1）**。該封包表示對第一個“SYN”封包請求的确認，同時給出視窗大小。“ACK=1”是為了差別“SYN=1”時表示Connection Request還是Connection Accepted。

   在接收到“SYN+ACK”封包之後，用戶端發送第三個“ACK“封包，表示對“SYN+ACK”封包的确認。

   

2. TCP連接配接釋放——“四次握手/揮手”（此處講解的是半關閉）

   TCP連接配接的釋放被稱為“四次握手/揮手”，是用戶端主動提出請求的連接配接釋放過程。

   用戶端準備結束一次資料傳輸，主動提出釋放TCP連接配接時，向伺服器發送第一個“FIN”（控制位FIN=1）封包。

   伺服器接收到“FIN”封包後，立即向用戶端發回“ACK”封包，表示對接收第一個“FIN”封包的确認。TCP伺服器程式通知高層應用程式用戶端請求釋放TCP連接配接，這時用戶端已經不會再向伺服器端發送資料（但是可以發送确認），用戶端到伺服器端的TCP連接配接斷開。伺服器到用戶端的TCP連接配接沒有斷開，伺服器在需要的情況下，還可以發送資料給用戶端。

   

   當伺服器沒有要發送的資料時，向用戶端發送“FIN”封包。

   當用戶端接收到“FIN”封包之後，向伺服器發送“ACK”封包，表示對伺服器的“FIN”封包的确認。

3. 保持定時器和時間等待定時器

   為了保證TCP協定正常運作，TCP設定了4個定時器**：重傳定時器、堅持定時器、保持定時器以及時間等待定時器**。其中保持定時器與時間等待定時器和TCP連結的運作狀态，以及連結釋放中可能存在的問題有關。

   a) 保持定時器

   用于防止TCP連接配接長時間處于空閑狀态。為了解決用戶端可能故障導緻連接配接處于永遠打開狀态，當伺服器接收到用戶端的資訊時，就将定時器複位。如果伺服器超過一定時間沒有接收到用戶端的資訊，就發送探測封包，在發送了10個探測封包還沒有響應的情況下，判斷用戶端故障，斷開連接配接。

   b) 時間等待定時器

   在連接配接終止期間使用的定時器。當TCP關閉一個連接配接時，其并不認為這個連接配接馬上關閉，在時間等待期間，連接配接還處于一種過渡狀态。

更多後續，檢視筆記：計算機網絡（十）：傳輸層之TCP（中）

計算機網絡（十一）：傳輸層之TCP（下）

參考資料：《計算機網絡教程：自動向下方法》

《計算機網絡與下一代網際網路》