TCP协议（包括三次握手和四次断开）、计算机网络基础和TCP/IP协议簇介绍

计算机网络基础

通信模型参考

TCP/IP分层模型

TCP/IP数据流封装过程

TCP/IP数据流解封装过程

两个因特网主机的通信过程

两个因特网主机通过两个路由器和对应的层连接。各主机上的应用通过一些数据信道相互执行读取操作。

TCP/IP协议簇介绍

OSI 七层

TCP/IP 四层

1、应用层（TCP/IP 模型）

该层包括所有和应用程序协同工作，利用基础网络交换应用程序专用的数据的协议。 应用层是大多数普通与网络相关的程序为了通过网络与其他程序通信所使用的层。这个层的处理过程是应用特有的；数据从网络相关的程序以这种应用内部使用的格式进行传送，然后被编码成标准协议的格式。

一些特定的程序被认为运行在这个层上。它们提供服务直接支持用户应用。这些程序和它们对应的协议包括HTTP（万维网服务）、FTP（文件传输）、SMTP（电子邮件）、SSH（安全远程登陆）、DNS（名称<-> IP地址寻找）以及许多其他协议。 一旦从应用程序来的数据被编码成一个标准的应用层协议，它将被传送到IP栈的下一层。

在传输层，应用程序最常用的是TCP或者UDP，并且服务器应用程序经常与一个公开的端口号相联系。服务器应用程序的端口由互联网号码分配局（IANA）正式地分配，但是现今一些新协议的开发者经常选择它们自己的端口号。由于在同一个系统上很少超过少数几个的服务器应用，端口冲突引起的问题很少。应用软件通常也允许用户强制性地指定端口号作为运行参数。

链接外部的客户端程序通常使用系统分配的一个随机端口号。监听一个端口并且通过服务器将那个端口发送到应用的另外一个副本以创建对等链接（如IRC上的dcc文件传输）的应用也可以使用一个随机端口，但是应用程序通常允许定义一个特定的端口范围的规范以允许端口能够通过实现网络地址转换（NAT）的路由器映射到内部。

每一个应用层（TCP/IP参考模型的最高层）协议一般都会使用到两个传输层协议之一： 面向连接的TCP传输控制协议和无连接的包传输的UDP用户数据报文协议。 常用的应用层协议有如下几种。

运行在TCP协议上的协议

• HTTP（Hypertext Transfer Protocol，超文本传输协议），主要用于普通浏览。
• HTTPS（Hypertext Transfer Protocol over Secure Socket Layer, or HTTP over SSL，安全超文本传输协议）,HTTP协议的安全版本。
• FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议），由名知义，用于文件传输。
• POP3（Post Office Protocol, version 3，邮局协议），收邮件用。
• SMTP（Simple Mail Transfer Protocol，简单邮件传输协议），用来发送电子邮件。
• TELNET（Teletype over the Network，网络电传），通过一个终端（terminal）登陆到网络。
• SSH（Secure Shell，用于替代安全性差的TELNET），用于加密安全登陆用。

运行在UDP协议上的协议

• BOOTP（Boot Protocol，启动协议），应用于无盘设备。
• NTP（Network Time Protocol，网络时间协议），用于网络同步。
• DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议），动态配置IP地址。

其它协议

• DNS（Domain Name Service，域名服务），用于完成地址查找，邮件转发等工作（运行在TCP和UDP协议上）。
• ECHO（Echo Protocol，回绕协议），用于查错及测量应答时间（运行在TCP和UDP协议上）。
• SNMP（Simple Network Management Protocol，简单网络管理协议），用于网络信息的收集和网络管理。
• ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议），用于动态解析以太网硬件的地址。

2、传输层（TCP/IP 模型）

传输层（transport layer）的协议，能够解决诸如端到端可靠性（“数据是否已经到达目的地？”）和保证数据按照正确的顺序到达这样的问题。在TCP/IP协议组中，传输协议也包括所给数据应该送给哪个应用程序。

在TCP/IP协议组中技术上位于这个层的动态路由协议通常被认为是网络层的一部分；一个例子就是OSPF（IP协议89）。 T

TCP（IP协议6）是一个“可靠的”、面向链接的传输机制，它提供一种可靠的字节流保证数据完整、无损并且按顺序到达。TCP尽量连续不断地测试网络的负载并且控制发送数据的速度以避免网络过载。另外，TCP试图将数据按照规定的顺序发送。这是它与UDP不同之处，这在实时数据流或者路由高网络层丢失率应用的时候可能成为一个缺陷。

较新的SCTP也是一个“可靠的”、面向链接的传输机制。它是面向记录而不是面向字节的，它在一个单独的链接上提供通过多路复用提供的多个子流。它也提供多路自寻址支持，其中链接终端能够被多个IP地址表示（代表多个实体接口），这样的话即使其中一个连接失败了也不中断。它最初是为电话应用开发的（在IP上传输SS7），但是也可以用于其他的应用。

UDP（IP协议号17）是一个无链接的数据报协议。它是一个“尽力传递”（best effort）或者说“不可靠”协议——不是因为它特别不可靠，而是因为它不检查数据包是否已经到达目的地，并且不保证它们按顺序到达。如果一个应用程序需要这些特性，那它必须自行检测和判断，或者使用TCP协议。 UDP的典型性应用是如流媒体（音频和视频等）这样按时到达比可靠性更重要的应用，或者如DNS查找这样的简单查询／响应应用，如果创建可靠的链接所作的额外工作将是不成比例地大。 DCCP当前正由IEFT开发。它提供TCP流动控制语义，但对于用户来说保留UDP的数据报服务模型。 TCP和UDP都用来支持一些高层的应用。任何给定网络地址的应用通过它们的TCP或者UDP端口号区分。根据惯例使一些大众所知的端口与特定的应用相联系。 RTP是为如音频和视频流这样的实时数据设计的数据报协议。RTP是使用UDP包格式作为基础的会话层，然而据说它位于因特网协议栈的传输层。

3、网络互连层（TCP/IP 模型）

TCP/IP协议族中的网络互连层（internet layer）在OSI模型中叫做网络层（network layer）。

正如最初所定义的，网络层解决在一个单一网络上传输数据包的问题。类似的协议有X.25和ARPANET的Host/IMP Protocol。 随着因特网思想的出现，在这个层上添加附加的功能，也就是将数据从源网络传输到目的网络。这就牵涉到在网络组成的网上选择路径将数据包传输，也就是因特网。 在因特网协议组中，IP完成数据从源发送到目的的基本任务。IP能够承载多种不同的高层协议的数据；这些协议使用一个唯一的IP协议号进行标识。ICMP和IGMP分别是1和2。 一些IP承载的协议，如ICMP（用来发送关于IP发送的诊断信息）和IGMP（用来管理多播数据），它们位于IP层之上但是完成网络层的功能，这表明因特网和OSI模型之间的不兼容性。所有的路由协议，如BGP、OSPF、和RIP实际上也是网络层的一部分，尽管它们似乎应该属于更高的协议栈。

4、网络链接层（TCP/IP 模型）

网络访问(链接)层实际上并不是因特网协议组中的一部分，但是它是数据包从一个设备的网络层传输到另外一个设备的网络层的方法。这个过程能够在网卡的软件驱动程序中控制，也可以在韧体或者专用芯片中控制。这将完成如添加报头准备发送、通过实体介质实际发送这样一些数据链路功能。另一端，链路层将完成数据帧接收、去除报头并且将接收到的包传到网络层。 然而，链路层并不经常这样简单。它也可能是一个虚拟专有网络（VPN）或者隧道，在这里从网络层来的包使用隧道协议和其他（或者同样的）协议组发送而不是发送到实体的接口上。VPN和信道通常预先建好，并且它们有一些直接发送到实体接口所没有的特殊特点（例如，它可以加密经过它的数据）。由于现在链路“层”是一个完整的网络，这种协议组的递归使用可能引起混淆。但是它是一个实现常见复杂功能的一个优秀方法。（尽管需要注意预防一个已经封装并且经隧道发送下去的数据包进行再次地封装和发送）

TCP 协议

1、协议介绍

传输控制协议（英语：Transmission Control Protocol，缩写：TCP）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793定义。在简化的计算机网络OSI模型中，它完成第四层传输层所指定的功能。用户数据报协议（UDP）是同一层内另一个重要的传输协议。

在因特网协议族（Internet protocol suite）中，TCP层是位于IP层之上，应用层之下的中间层。不同主机的应用层之间经常需要可靠的、像管道一样的连接，但是IP层不提供这样的流机制，而是提供不可靠的包交换。

应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，然后TCP把数据流分割成适当长度的报文段（通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传输单元（MTU）的限制）。之后TCP把结果包传给IP层，由它来通过网络将包传送给接收端实体的TCP层。TCP为了保证不发生丢包，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的包发回一个相应的确认信息（ACK）；如果发送端实体在合理的往返时延（RTT）内未收到确认，那么对应的数据包就被假设为已丢失并进行重传。TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误，在发送和接收时都要计算校验和。

2、数据格式

数据在TCP层称为流（Stream），数据分组称为分段（Segment）。作为比较，数据在IP层称为Datagram，数据分组称为分片（Fragment）。 UDP 中分组称为Message。

3、运作方式

TCP协议的运行可划分为三个阶段：连接创建(connection establishment)、数据传送（data transfer）和连接终止（connection termination）。操作系统将TCP连接抽象为套接字表示的本地端点（local end-point），作为编程接口给程序使用。在TCP连接的生命期内，本地端点要经历一系列的状态改变。

创建通路

TCP用三次握手（或称三路握手，three-way handshake）过程创建一个连接。在连接创建过程中，很多参数要被初始化，例如序号被初始化以保证按序传输和连接的强壮性。

一对终端同时初始化一个它们之间的连接是可能的。但通常是由一端打开一个套接字（socket）然后监听来自另一方的连接，这就是通常所指的被动打开（passive open）。服务器端被被动打开以后，用户端就能开始创建主动打开（active open）。

• 客户端通过向服务器端发送一个SYN来创建一个主动打开，作为三次握手的一部分。客户端把这段连接的序号设定为随机数A。
• 服务器端应当为一个合法的SYN回送一个SYN/ACK。ACK的确认码应为A+1，SYN/ACK包本身又有一个随机产生的序号B。
• 最后，客户端再发送一个ACK。此时包的序号被设定为A+1，而ACK的确认码则为B+1。当服务端收到这个ACK的时候，就完成了三次握手，并进入了连接创建状态。

如果服务器端接到了客户端发的SYN后回了SYN-ACK后客户端掉线了，服务器端没有收到客户端回来的ACK，那么，这个连接处于一个中间状态，即没成功，也没失败。于是，服务器端如果在一定时间内没有收到的TCP会重发SYN-ACK。在Linux下，默认重试次数为5次，重试的间隔时间从1s开始每次都翻倍，5次的重试时间间隔为1s, 2s, 4s, 8s, 16s，总共31s，第5次发出后还要等32s才知道第5次也超时了，所以，总共需要 1s + 2s + 4s+ 8s+ 16s + 32s = 63s，TCP才会断开这个连接。使用三个TCP参数来调整行为：tcp_synack_retries 减少重试次数；tcp_max_syn_backlog，增大SYN连接数；tcp_abort_on_overflow决定超出能力时的行为。

资源使用

主机收到一个TCP包时，用两端的IP地址与端口号来标识这个TCP包属于哪个session。使用一张表来存储所有的session，表中的每条称作Transmission Control Block（TCB），tcb结构的定义包括连接使用的源端口、目的端口、目的ip、序号、应答序号、对方窗口大小、己方窗口大小、tcp状态、tcp输入/输出队列、应用层输出队列、tcp的重传有关变量等。

服务器端的连接数量是无限的，只受内存的限制。客户端的连接数量，过去由于在发送第一个SYN到服务器之前需要先分配一个随机空闲的端口，这限制了客户端IP地址的对外发出连接的数量上限。从Linux 4.2开始，有了socket选项IP_BIND_ADDRESS_NO_PORT，它通知Linux内核不保留usingbind使用端口号为0时内部使用的临时端口（ephemeral port），在connect时会自动选择端口以组成独一无二的四元组（同一个客户端端口可用于连接不同的服务器套接字；同一个服务器端口可用于接受不同客户端套接字的连接）。

对于不能确认的包、接收但还没读取的数据，都会占用操作系统的资源。

数据传输

在TCP的数据传送状态，很多重要的机制保证了TCP的可靠性和强壮性。它们包括：使用序号，对收到的TCP报文段进行排序以及检测重复的数据；使用校验和检测报文段的错误，即无错传输[3]；使用确认和计时器来检测和纠正丢包或延时；流控制（Flow control）；拥塞控制（Congestion control）；丢失包的重传。

示例：

1. 发送方首先发送第一个包含序列号为1（可变化）和1460字节数据的TCP报文段给接收方。接收方以一个没有数据的TCP报文段来回复（只含报头），用确认号1461来表示已完全收到并请求下一个报文段。
2. 发送方然后发送第二个包含序列号为1461，长度为1460字节的数据的TCP报文段给接收方。正常情况下，接收方以一个没有数据的TCP报文段来回复，用确认号2921（1461+1460）来表示已完全收到并请求下一个报文段。发送接收这样继续下去。
3. 然而当这些数据包都是相连的情况下，接收方没有必要每一次都回应。比如，他收到第1到5条TCP报文段，只需回应第五条就行了。在例子中第3条TCP报文段被丢失了，所以尽管他收到了第4和5条，然而他只能回应第2条。
4. 发送方在发送了第三条以后，没能收到回应，因此当时钟（timer）过时（expire）时，他重发第三条。（每次发送者发送一条TCP报文段后，都会再次启动一次时钟：RTT）。
5. 这次第三条被成功接收，接收方可以直接确认第5条，因为4，5两条已收到。
   

终结通路

连接终止使用了四路握手过程（或称四次握手，four-way handshake），在这个过程中连接的每一侧都独立地被终止。当一个端点要停止它这一侧的连接，就向对侧发送FIN，对侧回复ACK表示确认。因此，拆掉一侧的连接过程需要一对FIN和ACK，分别由两侧端点发出。

首先发出FIN的一侧，如果给对侧的FIN响应了ACK，那么就会超时等待2*MSL时间，然后关闭连接。在这段超时等待时间内，本地的端口不能被新连接使用；避免延时的包的到达与随后的新连接相混淆。RFC793定义了MSL为2分钟，Linux设置成了30s。参数tcp_max_tw_buckets控制并发的TIME_WAIT的数量，默认值是180000，如果超限，那么，系统会把多的TIME_WAIT状态的连接给destory掉，然后在日志里打一个警告（如：time wait bucket table overflow）

连接可以工作在TCP半开状态。即一侧关闭了连接，不再发送数据；但另一侧没有关闭连接，仍可以发送数据。已关闭的一侧仍然应接收数据，直至对侧也关闭了连接。

创建通路和终结通路的区别

这是因为服务端在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时，当收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，己方是否现在关闭发送数据通道，需要上层应用来决定，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送。

状态编码

下为TCP状态码列表，以S指代服务器，C指代客户端，S&C表示两者，S/C表示两者之一：

LISTEN S

服务器等待从任意远程TCP端口的连接请求。侦听状态。

SYN-SENT C

客户在发送连接请求后等待匹配的连接请求。通过connect()函数向服务器发出一个同步（SYNC）信号后进入此状态。

SYN-RECEIVED S

服务器已经收到并发送同步（SYNC）信号之后等待确认（ACK）请求。

ESTABLISHED S&C

服务器与客户的连接已经打开，收到的数据可以发送给用户。数据传输步骤的正常情况。此时连接两端是平等的。这称作全连接。

FIN-WAIT-1 S&C

（服务器或客户）主动关闭端调用close（）函数发出FIN请求包，表示本方的数据发送全部结束，等待TCP连接另一端的ACK确认包或FIN&ACK请求包。

FIN-WAIT-2 S&C

主动关闭端在FIN-WAIT-1状态下收到ACK确认包，进入等待远程TCP的连接终止请求的半关闭状态。这时可以接收数据，但不再发送数据。

CLOSE-WAIT S&C

被动关闭端接到FIN后，就发出ACK以回应FIN请求，并进入等待本地用户的连接终止请求的半关闭状态。这时可以发送数据，但不再接收数据。

CLOSING S&C

在发出FIN后，又收到对方发来的FIN后，进入等待对方对己方的连接终止（FIN）的确认（ACK）的状态。少见。

LAST-ACK S&C

被动关闭端全部数据发送完成之后，向主动关闭端发送FIN，进入等待确认包的状态。

TIME-WAIT S/C

主动关闭端接收到FIN后，就发送ACK包，等待足够时间以确保被动关闭端收到了终止请求的确认包。【按照RFC 793，一个连接可以在TIME-WAIT保证最大四分钟，即最大分段寿命（maximum segment lifetime）的2倍】

CLOSED S&C

完全没有连接。

TCP 端口

TCP使用了端口号（Port number）的概念来标识发送方和接收方的应用层。对每个TCP连接的一端都有一个相关的16位的无符号端口号分配给它们。端口被分为三类：众所周知的、注册的和动态/私有的。众所周知的端口号是由因特网赋号管理局（IANA）来分配的，并且通常被用于系统一级或根进程。众所周知的应用程序作为服务器程序来运行，并被动地侦听经常使用这些端口的连接。例如：FTP、TELNET、SMTP、HTTP等。注册的端口号通常被用来作为终端用户连接服务器时短暂地使用的源端口号，但它们也可以用来标识已被第三方注册了的、被命名的服务。动态/私有的端口号在任何特定的TCP连接外不具有任何意义。可能的、被正式承认的端口号有65535个。

数据包结构

• 来源连接端口（16位长）－识别发送连接端口

• 目的连接端口（16位长）－识别接收连接端口

• 序列号（seq，32位长）

  • 如果含有同步化旗标（SYN），则此为最初的序列号；第一个数据比特的序列码为本序列号加一。
  • 如果没有同步化旗标（SYN），则此为第一个数据比特的序列码。

• 确认号（ack，32位长）—期望收到的数据的开始序列号。也即已经收到的数据的字节长度加1。

• 数据偏移（4位长）—以4字节为单位计算出的数据段开始地址的偏移值。

• 保留（3比特长）—须置0

• 标志符（9比特长）

  • NS—ECN-nonce。
  • CWR—Congestion Window Reduced。
  • ECE—ECN-Echo有两种意思，取决于SYN标志的值。
  • URG—为1表示高优先级数据包，紧急指针字段有效。
  • ACK—为1表示确认号字段有效。
  • PSH—为1表示是带有PUSH标志的数据，指示接收方应该尽快将这个报文段交给应用层而不用等待缓冲区装满。
  • RST—为1表示出现严重差错。可能需要重现创建TCP连接。还可以用于拒绝非法的报文段和拒绝连接请求。
  • SYN—为1表示这是连接请求或是连接接受请求，用于创建连接和使顺序号同步。
  • FIN—为1表示发送方没有数据要传输了，要求释放连接。

• 窗口（WIN，16位长）—表示从确认号开始，本报文的发送方可以接收的字节数，即接收窗口大小。用于流量控制。

• 校验和（Checksum，16位长）—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。这是一个强制性的字段。

• 紧急指针（16位长）—本报文段中的紧急数据的最后一个字节的序号。

• 选项字段—最多40字节。每个选项的开始是1字节的kind字段，说明选项的类型。
  0：选项表结束（1字节）
  1：无操作（1字节）用于选项字段之间的字边界对齐。
  2：最大报文段长度（4字节，Maximum Segment Size，MSS）通常在创建连接而设置SYN标志的数据包中指明这个选项，指明本端所能接收的最大长度的报文段。通常将MSS设置为（MTU-40）字节，携带TCP报文段的IP数据报的长度就不会超过MTU（MTU最大长度为1518字节，最短为64字节），从而避免本机发生IP分片。只能出现在同步报文段中，否则将被忽略。
  3：窗口扩大因子（4字节，wscale），取值0-14。用来把TCP的窗口的值左移的位数，使窗口值乘倍。只能出现在同步报文段中，否则将被忽略。这是因为现在的TCP接收数据缓冲区（接收窗口）的长度通常大于65535字节。
  4：sackOK—发送端支持并同意使用SACK选项。
  5：SACK实际工作的选项。
  8：时间戳（10字节，TCP Timestamps Option，TSopt）
  发送端的时间戳（Timestamp Value field，TSval，4字节）
  时间戳回显应答（Timestamp Echo Reply field，TSecr，4字节）