网络（六）传输层协议介绍

目录

一、TCP协议介绍

1. 定义

2. 特性

二、TCP报文格式 

1. 图示

2. 报文选项注释

三、TCP三次握手

1. 定义

2. 图示

3. 过程 

四、TCP四次挥手

1. 定义

2. 图示

3. 过程

五、UDP协议介绍

六、TCP/UDP协议区别

七、TCP的三次握手中为什么不是两次、四次？

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一、TCP协议介绍

1. 定义

传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，提供全双工服务，即数据可在同一时间双向传输，但是速度较慢。

2. 特性

·工作在传输层
·面向连接协议
·全双工协议
·半关闭，断开
·错误检查(校验）
·将数据打包成段，排序(给数据排序)
·确认机制，对面每发一个包，会告诉对方已收到
·数据恢复，重传
·流量控制，滑动窗口，第一次握手后服务端会返回最最大可传输数量，在客户端进行及时调整

二、TCP报文格式 

1. 图示

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2. 报文选项注释

 ① 源端口、目标端口：计算机上进程之间通信是要通过计算机端口，每个进程在一定时间段内随机占用一个唯一端口，所以通过指定源端口和目标端口，就可以知道是哪两个进程需要通信。源端口、目标端口是用16位表示的，源端口个数和目标端口个数均为2^16个，即 65536 （0-65535）

② 序列号：表示本报文段所发送数据的第一个字节的编号。在TCP连接中所传送的字节流的每一个字节都会按顺序编号。由于序列号由32位表示，所以每2^32个字节，就会出现序列号回绕，再次从0 开始无限循环

③ 确认号：（ack）表示接收方期望收到发送方下一个报文段的第一个字节数据的编号。即ack=x+1

④ 首部长度/数据偏移：表示TCP报文段的首部长度，共4位，由于TCP首部包含一个长度可变的选项部分，需要指定这个TCP报文段到底有多长。数据偏移指 TCP 报文段的数据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远。该字段的单位是32位(即4个字节为计算单位），4位二进制最大表示15，所以数据偏移也就是TCP首部最大60字节

⑤ 保留：目前没有实际意义

⑥ 控制位：描述客户端和服务端两台设备目前的状态

·URG（紧急位）：表示本报文段中发送的数据是否包含紧急数据。后面的紧急指针字段（urgent pointer）只有当URG=1时才有效                                                                     

·ACK（确认位）：表示是否前面确认号字段是否有效。只有当ACK=1时，前面的确认号字段才有效。TCP规定，连接建立后，ACK必须为1,带ACK标志的TCP报文段称为确认报文段         

·PSH（急切位）：提示接收端应用程序应该立即从TCP接收缓冲区中读走数据，为接收后续数据腾出空间。如果为1，则表示对方应当立即把数据提交给上层应用，而不是缓存起来，如果应用程序不将接收到的数据读走，就会一直停留在TCP接收缓冲区中 

·RST（重置位）：如果收到一个RST=1的报文，说明与主机的连接出现了严重错误（如主机崩溃），必须释放连接，然后再重新建立连接。或者说明上次发送给主机的数据有问题，主机拒绝响应，带RST标志的TCP报文段称为复位报文段

·SYN（同步位）：在建立连接时使用，用来同步序号。当SYN=1，ACK=0时，表示这是一个请求建立连接的报文段；当SYN=1，ACK=1时，表示对方同意建立连接。SYN=1，说明这是一个请求建立连接或同意建立连接的报文。只有在前两次握手中SYN才置为1，带SYN标志的TCP报文段称为同步报文段              

·FIN（断开位）：表通知对方本端要关闭连接，标记数据是否发送完毕。如果FIN=1，传输完毕可断开连接，带FIN标志的TCP报文段称为结束报文段

⑦ 窗口大小：表示现在允许对方发送的数据量，从本报文段的确认号开始允许对方发送的数据量的峰值，需要ACK确认后才能再继续传送后面数据

⑧ 校验和：提供额外的可靠性紧急指针：标记紧急数据在数据字段中的位置

⑨ 紧急指针：指出本报文段中的紧急数据的字节数；

⑩ 选项：其最大长度可根据TCP首部长度进行推算。TCP首部长度用4位表示，选项部分最长为：(2^4-1)*4-20=40字节

三、TCP三次握手

1. 定义

在TCP协议中，通信双方将通过三次TCP报文实现对以上信息的了解，并在此基础上建立一个TCP连接，而通信双方的三次TCP报文段的交换过程，也就是通常所说的TCP连接建立实现的三次握手(Three-Way Handshake)过程。

2. 图示

注：seq序号，ack确认号，SYN同步位，ACK确认位 

3. 过程 

① 客户端主动发起请求报文，报文序号是随机产生的seq=x，并且报文中的控制位同步位SYN=1，代表请求建立连接

② 当服务端收到请求建立连接的报文会回复一个报文，其中会产生随机序号seq=y，生成一个确认号，值为客户端请求报文的序号+1，即ack=x+1，并且要求对方按照此序号进行确认回复。然后控制位同步位SYN=1，确认位ACK=1，表示同意建立连接

③ 当客户端收到同意建立连接的报文时会回复一个确认报文，会按照服务端要求产生的序号 x+1（seq=x+1)， 再生成一个确认号，值为对方报文的序号+1 (ack=y+1)，最后控制位确认位ACK=1，代表收到对方同意连接的请求

四、TCP四次挥手

1. 定义

TCP的四次挥手是为了结束已建立的连接，确保双方都能正确地关闭连接并释放资源。

2. 图示

3. 过程

①（第一次挥手）客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1（表示连接释放的请求），其序列号为seq=u（u-1是客户端发送的最后一个字节的序号）。此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
②（第二次挥手）服务器收到连接释放报文，发出确认报文，报文头包含：确认位ACK=1，确认号ack=u+1，序号seq=v（v-1是服务端向用户端发送最后一个字节的序号）。此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器会通知高层的应用，告知客户端到服务端这个方向的连接已经释放，这时候处于半关闭状态，数据依然可以传输到客户端，防止数据没有传输完毕。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。
③客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文，即最后数据。
④（第三次挥手）服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，断开位FIN=1，确认号ack=u+1。由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，发送完毕后序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认回应。
⑤（第四次挥手）客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，确认位ACK=1，确认号ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
⑥服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

五、UDP协议介绍

UDP中文名是用户数据报协议，是OSI（Open System Interconnection，开放式系统互联） 参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。UDP协议传输速度快，但是不够稳定，没有重发机制。

六、TCP/UDP协议区别

协议	区别
TCP	面向连接	稳定	速度慢
UDP	无连接	不稳定	速度快

七、TCP的三次握手中为什么不是两次、四次？

如果只有两次握手，至多只有客户端的起始序列号能被确认， 服务端选择的序列号则得不到确认。例如，客户端发送了一个建立连接的请求，但由于网络延迟或其他原因，该请求在传输过程中被延迟到达服务器。服务器此时会误认为客户端要建立连接，于是发送确认响应。然而，客户端近期实际并未发送过请求，因此不会回复确认。这样就会导致服务器一直等待客户端的回复，周期性重传，浪费资源。
通过引入第三次握手，可以解决上述问题。在第一次握手时，客户端发出建立连接的请求，服务器接收到后进行响应。并且生成指定序号要求客户端回应，即第二次握手。客户端按照服务端指定序号，再生成确认号，ACK=1，代表收到同意。
至于为什么不是四次握手，主要是因为虽然四次握手也可以实现可靠地同步双方的初始序列号，但由于第二步和第三步可以合并为一步，所以最终演变成了三次握手。而两次握手只能保证一方的初始序列号被对方成功接收，无法保证双方的初始序列号都能被确认接收。因此，三次握手是为了确保TCP连接的稳定性和可靠性而采取的最佳选择。

参考文献：两张动图-彻底明白TCP的三次握手与四次挥手_三次握手和四次挥手-CSDN博客