计算机基础——TCP基础知识

计算机基础——TCP基础知识

一、TCP报文首部的字段及作用

16位源端口号								16位目的端口号
32位序号
32位确认号
4位头部长度	6位保留	URG	ACK	PSH	RST	SYN	FIN	16位窗口大小
16位校验和								16位紧急指针
选项（长度可变）
填充

• 16位端口号：源端口号，主机该报文段是来自哪里；目标端口号，要传给哪个上层协议或应用程序
• 32位序号：一次TCP通信（从TCP连接建立到断开）过程中某一个传输方向上的字节流的每个字节的编号。
• 32位确认号：用作对另一方发送的tcp报文段的响应。其值是收到的TCP报文段的序号值加1。
• 4位头部长度：表示tcp头部有多少个32bit字（4字节）。因为4位最大能标识15，所以TCP头部最长是60字节。
• 6位标志位：URG(紧急指针是否有效)，ACk（表示确认号是否有效），PSH（缓冲区尚未填满），RST（表示要求对方重新建立连接），SYN（建立连接消息标志接），FIN（表示告知对方本端要关闭连接了）
• 16位窗口大小：是TCP流量控制的一个手段。这里说的窗口，指的是接收通告窗口。它告诉对方本端的TCP接收缓冲区还能容纳多少字节的数据，这样对方就可以控制发送数据的速度。
• 16位校验和：由发送端填充，接收端对TCP报文段执行CRC算法以检验TCP报文段在传输过程中是否损坏。注意，这个校验不仅包括TCP头部，也包括数据部分。这也是TCP可靠传输的一个重要保障。
• 16位紧急指针：一个正的偏移量。它和序号字段的值相加表示最后一个紧急数据的下一字节的序号。因此，确切地说，这个字段是紧急指针相对当前序号的偏移，不妨称之为紧急偏移。TCP的紧急指针是发送端向接收端发送紧急数据的方法。

二、TCP的特点

• TCP是面向连接的运输层协议

• 点对点，每一条TCP连接只能有两个端点

• TCP提供可靠交付的服务

• TCP提供全双工通信

• 面向字节流

  基于连接，可靠的，有序的，双向的一种字节流传输方式，TCP要发送的数据先放入缓冲区内，在通信的时候TCP会从缓冲区内取出对应的数据，在进行头部的封装进行发送

  好处：传输比较灵活

  坏处：

  • 会产生粘包问题——将多条数据当做一条进行处理，无法分辨数据边界
    • 本质原因：TCP并不维护数据边界
    • 解决方案：需要程序员在应用层进行数据边界管理，区分数据边界
    • 具体技术：特殊字符，数据定长，应用层头部加上数据长度字段

三、TCP和UDP的区别

1. TCP面向连接；UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接。

2. TCP提供可靠的服务；UDP不保证可靠交付。

   1. TCP的连接是基于三次握手，断开是基于四次挥手。确保连接和断开的可靠性
   2. TCP有状态；记录哪些数据发送了，哪些数据被接收了，哪些没有被接收，并且保证数据包按序到达，保证数据传输不会出差错
   3. 可控制：有数据包校验、ACK应答、超时重传（发送方）、失序数据重传（接收方）、丢弃重复数据、流量控制（滑动窗口）和拥塞控制等机制

3. TCP面向字节流，把数据看成一连串无结构的字节流；UDP是面向报文的。

4. TCP有拥塞控制；UDP没有拥塞控制，因此网络出现拥塞不会使源主机的发送速率降低（对实时应用很有用，如实时视频会议等）。

5. 每一条TCP连接只能是点到点的；UDP支持一对一、一对多、多对一和多对多的通信方式。

6. TCP首部开销20字节；UDP的首部开销小，只有8个字节。

四、TCP和UDP分别对应的常见应用层协议

1.基于TCP的应用层协议

• HTTP：HyperText Transfer Protocol（超文本传输协议），默认端口80
• FTP: File Transfer Protocol (文件传输协议), 默认端口(20用于传输数据，21用于传输控制信息)
• SMTP: Simple Mail Transfer Protocol (简单邮件传输协议) ,默认端口25
• TELNET: Teletype over the Network (网络电传), 默认端口23
• SSH：Secure Shell（安全外壳协议），默认端口 22

2.基于UDP的应用层协议

• DNS : Domain Name Service (域名服务),默认端口 53
• TFTP: Trivial File Transfer Protocol (简单文件传输协议)，默认端口69
• SNMP：Simple Network Management Protocol（简单网络管理协议），通过UDP端口161接收，只有Trap信息采用UDP端口162。

五、TCP的粘包和拆包

TCP是面向流，没有界限的一串数据。TCP底层并不了解上层业务数据的具体含义，它会根据TCP缓冲区的实际情况进行包的划分，所以在业务上认为，一个完整的包可能会被TCP拆分成多个包进行发送，也有可能把多个小的包封装成一个大的数据包发送，这就是所谓的TCP粘包和拆包问题。

为什么会产生粘包和拆包？

• 要发送的数据小于TCP发送缓冲区的大小，TCP将多次写入缓冲区的数据一次发送出去，将会发生粘包；
• 接收数据端的应用层没有及时读取接收缓冲区中的数据，将发生粘包；
• 要发送的数据大于TCP发送缓冲区剩余空间大小，将会发生拆包；
• 待发送数据大于MSS（最大报文长度），TCP在传输前将进行拆包。即TCP报文长度-TCP头部长度>MSS。

解决方案

• 发送端将每个数据包封装为固定长度
• 在数据尾部增加特殊字符进行分割
• 将数据分为两部分，一部分是头部，一部分是内容体；其中头部结构大小固定，且有一个字段声明内容体的大小。

六、TCP的滑动窗口机制

TCP 利用滑动窗口实现流量控制。流量控制是为了控制发送方发送速率，保证接收方来得及接收。 TCP会话的双方都各自维护一个发送窗口和一个接收窗口。接收窗口大小取决于应用、系统、硬件的限制。发送窗口则取决于对端通告的接收窗口。接收方发送的确认报文中的window字段可以用来控制发送方窗口大小，从而影响发送方的发送速率。将接收方的确认报文window字段设置为 0，则发送方不能发送数据。

于对端通告的接收窗口。接收方发送的确认报文中的window字段可以用来控制发送方窗口大小，从而影响发送方的发送速率。将接收方的确认报文window字段设置为 0，则发送方不能发送数据。

[外链图片转存中…(img-K6LdSSp7-1705311813516)]

TCP头包含window字段，16bit位，它代表的是窗口的字节容量，最大为65535。这个字段是接收端告诉发送端自己还有多少缓冲区可以接收数据。于是发送端就可以根据这个接收端的处理能力来发送数据，而不会导致接收端处理不过来。接收窗口的大小是约等于发送窗口的大小。