【TCP/IP网络协议】（六）传输层TCP协议

其他 2020-04-08 18:24:31 阅读次数: 0

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概述

TCP和UDP处于同一层——传输层，但是它们有很多的不同。TCP是TCP/IP系列协议中最复杂的部分，它具有以下特点：

  • TCP提供可靠的数据传输服务，TCP是面向连接的。应用程序在使用TCP通信之前，先要建立连接，这是一个类似“打电话”的过程，通信结束后还要“挂电话”；
  • TCP连接是点对点的，一条TCP连接只能连接两个端点；
  • TCP提供可靠传输，无差错、不丢失、不重复、按顺序；
  • TCP提供全双工通信，允许通信双方任何时候都能发送数据，因为TCP连接的两端都设有发送缓存和接收缓存；
  • TCP面向字节流。TCP并不知道所传输的数据的含义，仅把数据看做一连串的字节序列，它也不保证接收方收到的数据块和发送方发出的数据块具有大小对应关系。

下面使用netstat -s查看数据报统计信息：
以下截取tcp部分
在这里插入图片描述
截图中各行所表示的含义依次是：主动开放的连接数；被动开放的连接数；失败的连接尝试；重置连接数；当前连接数；接收的分段数；发送的分段数；重新传输的分段数。

一、TCP报文段结构

TCP是面向字节流的，而TCP传输数据的单元是保温段。一个TCP报文段可分为两部分：报头和数据部分。数据部分是上层应用交付的数据，而报头则是TCP功能的关键。
TCP报文段的报头有前20字节是固定部分，后面4n字节是根据需要而添加的字段。如图是TCP报文段结构：
在这里插入图片描述
20字节的固定部分，各字段功能说明：

  • 源端口和目的端口：各占2个字节，分别写入源端口好和目的端口号，这和UDO报头相似，因为都是传输层协议；
  • 序号：占4个字节序，序号范围[0, 2^32-1]，序号增加到2 ^32-1后，下个序号又回到0，TCP是面向字节流的，通过TCP传送的字节流中的每个字节都按顺序编号，而报头中的序号字段值则指的是本报文段数据的第一个字节的序号。
  • 确认序号：占4个字节，期望收到对方下个报文段的第一个数据字节的序号；
  • 数据偏移：占4位，指TCP报文段的报头长度，包括固定的20字节和选项字段；
  • 保留：占6位，保留为今后使用，目前为0；
  • 控制位：共有6个控制位，说明本报文的性质，意义如下：
    (1) URG紧急：当URG=1时，它告诉系统此报文中有紧急数据，应优先传送（比如紧急关闭），这要与紧急指针字段配合使用；
    (2) ACK 确认：仅当ACK=1时确认号字段才有效。建立TCP连接后，所有报文段都必须把ACK字段置为1；
    (3) PSH 推送：若TCP连接的一端希望另一端立即响应，PSH字段便可以“催促”对方，不在等到缓存区填满才发送；
    (4) RST复位：若TCP连接出现严重差错，RST置为1，断开TCP连接，再重新建立连接；
    (5) SYN 同步：用于建立和释放连接；
    (6) FIN 终止：用于释放连接，当FIN = 1，表明发送方已经发送完毕，要求释放TCP连接。
  • 窗口：占2个字节。窗口值是指发送者自己的接收窗口大小，因为接收缓存的空间有限；
  • 检验和：占2个字节。和UDP报文一样，有一个检验和，用于检查报文是否在传输过程中出差错；
  • 紧急指针：占2个字节。当URG = 1时才有效，指出本报文段紧急数据的字节数；
  • 选项：长度可选，最长可达40字节。
    抓取命令
    sudo tcpdump -ntx -c 1

二、连接的建立与释放

TCP是面向连接的，在传输TCP报文段之前先要创建连接，发起连接的一方被称为客户端，而响应连接请求的一方被称为服务器，而这个创建连接的过程被称为三次握手
在这里插入图片描述

  • 客户端发出请求连接报文段，其中报头控制位 SYN = 1，初始序号 seq = x。客户端进入SYN-SENT（同步已发送）状态；
  • 服务端收到请求报文段后，向客户端发送确认报文段。确认报文段的首部中SYN = 1，ACK = 1，确认号是 ack = x + 1，同时为自己选择一个初始序列号 seq = y。服务端进入 SYN-RCVD（同步收到）状态；
  • 客户端收到服务端的确认报文段后，还要给服务端发送一个确认报文段，这个报文段中ACK = 1，确认号 ack = y + 1，而自己的序号seq = x + 1.这个报文段已经可以携带数据，如果不携带数据则不消耗序号，下一个报文段序号仍为 seq = x + 1。
    至此 TCP连接已经建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。当服务端收到确认后，也进入ESTABLISHED状态，它们之间便可以正式传输数据了。

三、TCP可靠传输的实现

  • TCP报文段的长度可变，跟进表收发双方的缓存状态、网络状态而调整；
  • 当TCP收到发自TCP连接另一端的数据，它将发送一个确认；
  • 当TCP发出一个报文段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段，如果不能及时收到一个确认。将重发这个报文段，这就是超时重传；
  • TCP将保持它首部和数据的检验和，如果通过检验和发现报文段有差错，这个报文段将被丢弃，等待超时重传；
  • TCP将数据按字节排序，报文段中有序号，以确保顺序的正确性；
  • TCP还能提供流量控制。TCP连接的每一方都有收发缓存。TCP的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。这将防止较快主机使较慢主机的缓冲区溢出。

课件超时重发机制是TCP可靠性的关键，只要没有得到确认报文段，就重新发送数据报，直到收到对方的确认为止。

四、超时重传

TCP规定，接收者收到报文段后，需回复一个确认报文段，以告知发送者数据已经收到。而发送者如果一段时间内（超时计时器）没有收到确认报文段，便重复发送。
为了实现超时重传，需要注意：

  • 发送者发送一个报文段后，暂时保存该报文段的副本，为发生超时重传时使用，收到确认报文后删除该报文段；
  • 确认报文段也需要序号，才能明确是发出去的哪个数据报得到了确认；
  • 超时计时器比传输往返时间略长，但具体值不确定，根据网络情况而变。

五、连续ARQ协议

超时重传机制很费时间，每发送一个数据报都要等待确认。
在实际应用中采用了流水线传输：发送方可以连续发送多个报文段（连续发送的数据长度叫做窗口），而不必每发完一段就停下来等待确认。
实际应用中，接收方也不必对收到的每个报文都做回复，而是采用累积确认方式：接收者收到多个连续的报文段后，只回复确认最后一个报文段，表示在这之前的数据都已收到。
这样，传输效率得到了很大的提升。
在这里插入图片描述

六、流量控制和拥塞控制

由于接收方缓存的限制，发送窗口不能大于接收方接收窗口。在报文段首部有一个字段就叫做窗口，这便是用于告诉对方自己的接收窗口，可见窗口的大小是可以变化的。
那么窗口的大小是如何变化的呢？TCP对于拥塞的控制总结为“慢启动、加性增、乘性减”，如图：
在这里插入图片描述

  • 慢启动：初始的窗口值很小，但是按指数规律渐渐增长，直到达到慢开始门限；
  • 加性增：窗口值达到慢开始门限后，每发送一个报文段，窗口值增加一个单位量；
  • 乘性减：无论什么阶段，只要出现超时，则把窗口值减小一半。

七、实验

基于Linux系统的TCP聊天小程序

7.1 客户端代码：client.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

#define BUFLEN 10

int main(int argc, char *argv[])
{
    int sockfd;
    struct sockaddr_in s_addr;
    socklen_t len;
    unsigned int port;
    char buf[BUFLEN];    
    
    /*建立socket*/
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1){
        perror("socket");
        exit(errno);
    }
    /*设置服务器端口*/    
    if(argv[2])
        port = atoi(argv[2]);
    else
        port = 7777;
    /*设置服务器ip*/
    bzero(&s_addr, sizeof(s_addr));
    s_addr.sin_family = AF_INET;
    s_addr.sin_port = htons(port);
    if (inet_aton(argv[1], (struct in_addr *)&s_addr.sin_addr.s_addr) == 0) {
        perror(argv[1]);
        exit(errno);
    }
    /*开始连接服务器*/    
    if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&s_addr,sizeof(struct sockaddr)) == -1){
        perror("connect");
        exit(errno);
    }else
        printf("*****************client start***************\n");
    
    while(1){
        /******接收消息*******/
        bzero(buf,BUFLEN);
        len = recv(sockfd,buf,BUFLEN,0);
        if(len > 0)
            printf("receive massage:%s\n",buf);
        else{
            if(len < 0 )
                printf("receive failed\n");
            else
                printf("server stop\n");
            break;    
        }
    _retry:    
        /******发送消息*******/    
        bzero(buf,BUFLEN);
        printf("enter your words:");
        /*fgets函数：从流中读取BUFLEN-1个字符*/
        fgets(buf,BUFLEN,stdin);
        /*打印发送的消息*/
        //fputs(buf,stdout);
        if(!strncasecmp(buf,"quit",4)){
            printf("client stop\n");
            break;
        }
        /*如果输入的字符串只有"\n"，即回车，那么请重新输入*/
        if(!strncmp(buf,"\n",1)){
            
            goto _retry;
        }
        /*如果buf中含有'\n'，那么要用strlen(buf)-1，去掉'\n'*/    
        if(strchr(buf,'\n'))
            len = send(sockfd,buf,strlen(buf)-1,0);
        /*如果buf中没有'\n'，则用buf的真正长度strlen(buf)*/    
        else
            len = send(sockfd,buf,strlen(buf),0);
        if(len > 0)
            printf("send successful\n");            
        else{
            printf("send failed\n");
            break;            
        }
    }
    /*关闭连接*/
    close(sockfd);

    return 0;
}

7.2 服务器代码：server.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

#define BUFLEN 10

int main(int argc, char *argv[])
{
    int sockfd, newfd;
    struct sockaddr_in s_addr, c_addr;
    char buf[BUFLEN];
    socklen_t len;
    unsigned int port, listnum;
    
    /*建立socket*/
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1){
        perror("socket");
        exit(errno);
    }
    /*设置服务器端口*/    
    if(argv[2])
        port = atoi(argv[2]);
    else
        port = 7777;
    /*设置侦听队列长度*/
    if(argv[3])
        listnum = atoi(argv[3]);
    else
        listnum = 3;
    /*设置服务器ip*/
    bzero(&s_addr, sizeof(s_addr));
    s_addr.sin_family = AF_INET;
    s_addr.sin_port = htons(port);
    if(argv[1])
        s_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    else
        s_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    /*把地址和端口帮定到套接字上*/
    if((bind(sockfd, (struct sockaddr*) &s_addr,sizeof(struct sockaddr))) == -1){
        perror("bind");
        exit(errno);
    }
    /*侦听本地端口*/
    if(listen(sockfd,listnum) == -1){
        perror("listen");
        exit(errno);    
    }
    while(1){
        printf("*****************server start***************\n");
        len = sizeof(struct sockaddr);
        if((newfd = accept(sockfd,(struct sockaddr*) &c_addr, &len)) == -1){
            perror("accept");        
            exit(errno);
        }
        while(1){
        _retry:
            /******发送消息*******/
            bzero(buf,BUFLEN);
            printf("enter your words:");
            /*fgets函数：从流中读取BUFLEN-1个字符*/
            fgets(buf,BUFLEN,stdin);
            /*打印发送的消息*/
            //fputs(buf,stdout);
            if(!strncasecmp(buf,"quit",4)){
                printf("server stop\n");
                break;
            }
            /*如果输入的字符串只有"\n"，即回车，那么请重新输入*/
            if(!strncmp(buf,"\n",1)){
                
                goto _retry;
            }    
            /*如果buf中含有'\n'，那么要用strlen(buf)-1，去掉'\n'*/            
            if(strchr(buf,'\n'))
                len = send(newfd,buf,strlen(buf)-1,0);
            /*如果buf中没有'\n'，则用buf的真正长度strlen(buf)*/    
            else
                len = send(newfd,buf,strlen(buf),0);
            if(len > 0)
                printf("send successful\n");            
            else{
                printf("send failed\n");
                break;            
            }
            /******接收消息*******/
            bzero(buf,BUFLEN);
            len = recv(newfd,buf,BUFLEN,0);
            if(len > 0)
                printf("receive massage:%s\n",buf);
            else{
                if(len < 0 )
                    printf("receive failed\n");
                else
                    printf("client stop\n");
                break;        
            }
        }
        /*关闭聊天的套接字*/
        close(newfd);
        /*是否退出服务器*/
        printf("exit?：y->yes；n->no ");
        bzero(buf, BUFLEN);
        fgets(buf,BUFLEN, stdin);
        if(!strncasecmp(buf,"y",1)){
            printf("server stop\n");
            break;
        }
    }
    /*关闭服务器的套接字*/
    close(sockfd);
    return 0;
}

7.3 实验步骤

1、编译client.c和server.c
gcc -o client client.c
gcc -o server server.c
2、打开tcpdump
sudo tcpdump -vvv -i lo tcp port 7777
如果没有安装，先安装

sudo apt-get update
sudo apt-get install tcpdump

3、新开一个终端，运行server程序
.\server 127.0.0.1
4、再开一个终端，运行client程序
.\client 127.0.0.1
5、现在可以使用两个终端进行对话啦，发送几条简短的消息后回到运行tcpdump的终端查看抓取的报文段内容
在这里插入图片描述
通过抓取的报文，还可以清晰地看到建立三次握手和断开连接四次握手的过程。

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