计算机网络（九）：传输层之传输控制协议——TCP（上）

计算机网络（九）：传输层之传输控制协议——TCP（上）

一、TCP协议的主要特点

1. 面向连接的传输服务
   相比于UDP面向无连接的协议，面向连接的TCP协议更加可靠，提高系统数据传输的可靠性。使用TCP传送数据之前，需要在源进程端口与目的进程端口之间建立一条传输通道。
2. 面向字节流的传输协议，即支持字节传输
   TCP协议同样建立在不可靠的网络层IP协议之上，IP协议不能提供任何可靠性机制，因此TCP的可靠性完全由自己决定。如图为TCP协议支持字节流传输的过程。
   
   应用程序和TCP每次交互的数据长度可能都不相同，但TCP将提交的数据都看成是一连串的、无结构的字节流。发送方和接收方都需要使用缓存，发送方使用发送缓存存储从应用发送来的数据。发送方将几个写操作组合成一个报文段，然后提交给IP协议，由IP协议封装成IP分组后传输给接收方。
   接收方IP将接收到的IP分组进行拆分后，将数据字段提交给接收方TCP，TCP将接收的字节存储到接收缓存中，应用程序使用读操作将缓存中的数据读出。
3. 支持全双工服务
   TCP通信在发送数据时顺便把确认信息捎带传送。TCP提供全双工服务，即数据可以在同一时间双向流动，每一方向TCP都有发送和接收缓冲区，能在双向发送和接收段。
4. 支持建立多个并发的TCP连接
   TCP协议支持一个服务器与多个客户端同时建立多个TCP连接，也支持一个客户端与多个服务器同时建立多个TCP连接。
5. 支持可靠传输服务
   TCP是一种可靠的传输服务协议，它使用确认机制检查数据是否安全、完整地到达，并提供拥塞控制功能。TCP支持可靠数据通信的关键是对发送和接收的数据字节进行跟踪、确认与重传。
   TCP协议建立在不可靠的网络层IP协议之上，一旦IP协议及以下层出现传输错误，TCP协议只能进行重传。
   
   总而言之，TCP协议是面向连接、面向字节流、支持全双工、支持并发连接、提供确认重传与拥塞控制的可靠传输层协议。

二、TCP报文格式
TCP的报文格式如下所示。

发送序号：TCP是面向字节流的，因此会为发送字节流中的每个字节都按顺序编号，发送序号告诉接收端，在这个序列中哪个字节是该段的第一个字节。
确认序号：指出接收方希望下一次接收的字节序号，表示一个进程已经正确接收了序号N之前（不包含N）的字节，要求发送序号N的字节的报文段。
报头长度：TCP报头长度以4字节为一个单位进行计算，报头长度的范围在20字节到60字节之间，因此其值在5到15之间。
控制字段：6种不同的控制位或标记的意义如下图所示。


窗口：定义了对方必须维持的窗口的大小（以字节为单位）。这个值通常称为接收窗口，由接收方确定，发送方必须服从接收端的支配。
校验和：TCP校验和计算过程和UDP计算过程一致，都需要加上伪报头。不同在于，TCP的校验和的必须的，而UDP的校验和是可选的。
紧急指针：包含了紧急数据。
选项：TCP头部有多达40个字节的可选信息。
PS：TCP最大段长度（MSS）：指的是报文数据部分的最大长度，不包含报头。

三、TCP连接建立与释放
TCP连接包括连接建立、报文传输与连接释放3个阶段。

1. TCP建立连接——三次握手
   TCP建立连接的过程被称为“三次握手”，其示意图如下所示。
   客户端发送第一个**“SYN”报文（控制位SYN=1）。“SYN”报文包括源端口号和目的端口号，以及一些连接参数。“SYN=1”表示Connection Request。
   服务器接收到“SYN”报文后，如果同意建立连接，向客户端发送第二个报文“SYN+ACK”报文（控制位SYN=1，ACK=1）**。该报文表示对第一个“SYN”报文请求的确认，同时给出窗口大小。“ACK=1”是为了区别“SYN=1”时表示Connection Request还是Connection Accepted。
   在接收到“SYN+ACK”报文之后，客户端发送第三个“ACK“报文，表示对“SYN+ACK”报文的确认。
   
2. TCP连接释放——“四次握手/挥手”（此处讲解的是半关闭）
   TCP连接的释放被称为“四次握手/挥手”，是客户端主动提出请求的连接释放过程。
   客户端准备结束一次数据传输，主动提出释放TCP连接时，向服务器发送第一个“FIN”（控制位FIN=1）报文。
   服务器接收到“FIN”报文后，立即向客户端发回“ACK”报文，表示对接收第一个“FIN”报文的确认。TCP服务器程序通知高层应用程序客户端请求释放TCP连接，这时客户端已经不会再向服务器端发送数据（但是可以发送确认），客户端到服务器端的TCP连接断开。服务器到客户端的TCP连接没有断开，服务器在需要的情况下，还可以发送数据给客户端。
   
   当服务器没有要发送的数据时，向客户端发送“FIN”报文。
   当客户端接收到“FIN”报文之后，向服务器发送“ACK”报文，表示对服务器的“FIN”报文的确认。
3. 保持定时器和时间等待定时器
   为了保证TCP协议正常运行，TCP设置了4个定时器**：重传定时器、坚持定时器、保持定时器以及时间等待定时器**。其中保持定时器与时间等待定时器和TCP链接的运行状态，以及链接释放中可能存在的问题有关。
   a) 保持定时器
   用于防止TCP连接长时间处于空闲状态。为了解决客户端可能故障导致连接处于永远打开状态，当服务器接收到客户端的信息时，就将定时器复位。如果服务器超过一定时间没有接收到客户端的信息，就发送探测报文，在发送了10个探测报文还没有响应的情况下，判断客户端故障，断开连接。
   b) 时间等待定时器
   在连接终止期间使用的定时器。当TCP关闭一个连接时，其并不认为这个连接马上关闭，在时间等待期间，连接还处于一种过渡状态。

更多后续，查看笔记：计算机网络（十）：传输层之TCP（中）
计算机网络（十一）：传输层之TCP（下）

参考资料：《计算机网络教程：自动向下方法》
《计算机网络与下一代互联网》