TCP基础知识

TCP简介

TCP （Transmission Control Protocol 传输控制协议） ， TCP 是工作于 OSI 模型传输层的协议 ， 用来进行数据在网络中的传输。

维基百科 ： 

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把数据流分区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（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将会被进行重传。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。

数据在TCP层称为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）。

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。

TCP 特性

1. 面向连接 （connection-oriented）
2. 可靠 （reliable）
3. 字节流式 （byte-stream）
4. 只支持单播传输
5. 全双工传输 （full duplex）

TCP Head 

TCP 头中包含了很多信息 ， 由发送方和接收方的信息结合组成。TCP 会根据 Head 中的信息对通信过程进行控制。要想学习 TCP 先要学习 TCP Head ，不然会不知所云。

              

OSI 模型中数据是一层层封装、解封装的 ， TCP 数据会在网络层封装后得到上面图中的数据格式。没有 options 的时候 TCP Head 大小为 20 字节。

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Header Length 　:  Head 的大小 ， 用 4 bit 表示 ， 4 bit 的最大值为 15 , 单位是 32-bit , 所以 20 byte ≤ Header Length ≤ 60 byte 。

Source Port 　:　数据发送方发送数据所使用的端口。

Destination Port  :  数据接收方用来接收数据所使用的端口。

Sequence Number （SN）  :  发送的 segment 的序列号， TCP连接建立时会产生一个随机的初始序列号 （ISN）。假设 ISN = 300 ， 本次发送的 segment 中数据大小为 30 byte ，  SN 就是 330 。

Acknowledgment Number  :  接收方确认接收到一个 segment 的应答序列号。假设发送方发送的 segment SN = 330 ， 接收方接收到的除了头信息外的数据载荷 data payload = 30 byte ， ACK Number 为 SN + data payload = 360  。

Reserved  :  保留位，为了以后扩展 。

TCP  Flags （每一位占 1 bit）：

    CWR  （Congestion Window Reduce）  :   发送端缩小拥塞窗口标志，用来通知接收端它已经收到了设置ECE标志的ACK。

    ECE （ECN （Explicit Congestion Notification 显示拥塞通知） Echo） :   ECE 在TCP三次握手时表明TCP端是否支持ECN；在传输数据时表明接收到的TCP段的IP首部的ECN被设置为11，即接收端发现了拥塞。

    URG （Urgent） :    表示 TCP Head 中的 "Urgent Pointer" 有效 。

    ACK （Acknowledgment） ：  表示 TCP Head 中 "Acknowledgment Number"  是否有效 ， 有效说明这个 TCP segment 是确认的数据包。0  - 无效 ， 1 - 有效 ；

    PSH （PUSH） :   发送端 PSH = 1 ， 表示发送端缓存中已经没有待发送的数据，接收端不要将该数据进行队列处理，尽快的将数据传输给应用进程处理。

    RST （Reset） :  RST=1 ，表示TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，再重新建立连接。

    SYN （Synchronize） ：    TCP建立连接时同步序列号， SYN = 1 ， ACK = 0 ， 是表示请求建立连接的 segment 。  SYN = 1 ， ACK = 1 ， 是表示同意建立连接的 segment 。 

    FIN （Finish） ：   FIN = 1 ，表示发送端数据发送完毕 ， 要求释放连接。

Window Size  :    接收端接收数据的窗口大小，用于流量控制 。这个接收窗口可以让发送端知道接收端还可以接收多少数据， 发送方会根据接收方窗口的大小来决定发送多少数据。当 window size = 0 时 ， 发送方必须要等接收方的缓冲区有空间了之后才发送数据。

Checksum   :   发送端基于 TCP Head & Data 的和再求反码 ， 接收端会根据接收到的 segment 去计算这个值， 如果计算得到的结果和 segment 中 Checksum 的值不一致就直接丢弃这个 segment 。（注意：TCP校验和也包括了96位的伪头部，其中有源地址、目的地址、协议以及TCP的长度。这可以避免报文被错误地路由。） TCP的校验和是一个比较脆弱的校验。

Urgent Pointer  ：   指向 Data 中的优先部分 ，紧急指针指出在本报文段中的紧急数据的最后一个字节的序号。在 URG = 1 时有效。

Options ：  TCP首部可以有多达40 byte 的可选信息，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 byte）
• 1：无操作（1 byte）用于选项字段之间的字边界对齐。
• 2：最大报文段长度（4 byte，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）byte，携带TCP报文段的IP数据报的长度就不会超过MTU，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 byte，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 byte。
• 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 byte，TCP Timestamps Option，TSopt）
  • 发送端的时间戳（Timestamp Value field，TSval，4 byte）
  • 时间戳回显应答（Timestamp Echo Reply field，TSecr，4 byte）