传输层-传输控制协议（TCP）_传输控制层

TCP 协议概述

传输控制协议（TCP）是Internet传输层协议。提供面向连接、可靠、有序、字节流传输服务。

• 面向连接：应用程序在使用 TCP 之前，必须先建立 TCP 连接。在传送数据完毕后，必须释放已经建立的 TCP 连接。
• 可靠：通过 TCP 连接传送数据，可以确保无差错、不丢失、不重复、并且按序到达。
• 字节流：“流”指的是流入到进程或从进程流出的字节序列。应用程序和TCP的交互是一次一个数据块，TCP把应用程序交付的数据看成是一连串的无结构的字节流。
• TCP提供全双工通信服务：TCP允许通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据和接收数据。

TCP 为没快客户数据配上一个 TCP 首部，从而形成多个 TCP 报文段。这些报文段被交付给网络层，网络层将其分别封装在网络层IP数据报中。然后这些 IP 数据报被发送到网络中，最终送达目的主机。

TCP 报文段结构

• 源端口号 与 目的端口号：字段分别占 16 位，表示发送该报文段的源端口号和目的端口号，用于多路复用/分解来自或送到上层应用的数据。
• 序号：TCP 的序号是对每个应用层数据的每个字节进行编号。
• 确认序号字段：期望从对方接收数据的字节序号，即该序号对应的字节尚未收到。
• 首部长度：占 4 位，指出 TCP 段的首部长度，以 4 字节为计算单位。最短是 20 字节；最长是 60 字节。
• 保留：占 6 位，保留为今后使用，目前值为 0。
• URG 、ACK 、PSH 、RST 、SYN 、FIN：为标志位字段；各占 1 位，取值为 0 或 1；
  • 紧急 URG=1，紧急指针字段有效，优先传送。
  • 确认 ACK=1，确认序号字段有效； ACK=0 时，确认序号字段无效。
  • 推送 PSH=1，尽快将报文段中的数据交付接收应用进程，不要等缓存满了再交付。
  • 复位 RST=1，TCP 连接出现严重差错，释放连接，再重新建立 TCP 连接。
  • 同步 SYN=1，该 TCP 报文段是一个建立新连接请求控制段或者同意建立新连接的确认段。
  • 终止 FIN=1，TCP 报文段的发送端数据已经发送完毕，请求释放连接。
• 接收窗：段占 16 位，向对方通告我方接收窗口的大小。
• 校验和：占 16 位，校验和字段检验的范围类似于 UDP，计算方法与 UDP 校验和的计算方法相同。Í。
• 紧急指针：占 16 位。URG=1 时，才有效。指出在本 TCP 报文段中紧急数据共有多少个字节。
• 选项（长度可变）：基本不用 。最短为 0 字节， 最长为 40 字节。 例如：发送方告诉接收方其缓存能够接收的数据段的最大长度是 MSS 个字节。 【最大报文段长度(Maximum Segment Size， MSS)： 报文段中封装的应用层数据的最大长度。】
• 填充：长度0~3字节，取值全为 0，目的是为了整个首部长度是 4 字节的整倍数。

TCP连接管理

三次握手

1. 第一次握手(请求连接)：客户端座位连接建立发起端，选择客户端初始序列号 x，向服务器发送（SYN=1, seq=x）的 SYN 段。客户状态由 LISTEN 进入 SYN_SENT 状态，等待服务器确认。
2. 第二次握手(请求连接，并响应请求连接)：服务器收到客户发送的 SYN 段后，选择服务器初始序列号 y，向客户发送（SYN-1, ACK=1, seq=y, ack=y+1）的 SYNACK 段，同时，服务器状态由 LISTEN 进入 SYN_RCVD 状态。
3. 第三次握手(确认接收响应，建立连接)：客户端收到服务器的 SYNACK 段后， 向服务器发送（ACK=1, seq=x+1, ack_seq=y+1）的 ACK 段，同时，客户端进入 ESTABLISHED 状态，客户端确认连接已建立；当服务器收到 ACK 段后，也进入 ESTABLISHED 状态，也确认连接已建立。至此，双方均确认连接建立成功。

客户端状态：

• 关闭状态 CLOSED，处于初始状态；
• 同步已发送状态 SYN_SENT；
• 已建立状态 ESTABLISHED，表示可以传送数据。

服务端状态：

• 关闭状态 CLOSED，处于初始状态；
• 监听状态 LISTEN；
• 同步收到状态 SYN_RCVD ；
• 已建立状态 ESTABLISHED，表示可以传送数据。

四次挥手

假设客户端首先请求断开 TCP 连接

TCP 建立连接要进行三次握手，而断开连接要进行四次。这是由于 TCP 的半关闭造成的。因为TCP 连接是全双工的（即数据可在两个方向上同时传递）所以进行关闭时每个方向上都要单独进行关闭。这个单方向的关闲就叫半关闭。当一方完成它的数据发送任务，就发送一个 FIN 来向另一方通告将要终止这个方向的连接。

• 第一次挥手(请求释放)：客户端发送一个 FIN=1 ，用来关闭客户端到服务器端的数据传送，客户端进入 FIN_WAIT_1 状态。意思是说"我客户端没有数据要发给你了，但是如果你服务器端还有数据没有发送完成，则不必急着关闭连接，可以继续发送数据。‘
• 第二次挥手(响应请求)：服务器端收到 FIN 后，先发送 ack=M+1 ，告诉客户端，你的请求我收到了，但是我还没准备好，请继续你等我的消息。这个时候客户端就进入 FIN_WAIT_2 状态，继续等待服务器端的 FIN 报文。
• 第三次挥手(服务端完成，终止响应)：当服务器端确定数据已发送完成，则向客户端发送FIN=1报文，告诉客户端，好了，我这边数据发完了，准备好关闭连接了。服务器端进入 LAST_ACK 状态。
• 第四次挥手(响应彻底释放)：客户端收到 FIN=1 报文后，就知道可以关闭连接了，但是他还是不相信网络，怕服务器端不知道要关闭，所以发送 ack=N+1 后进入 TIME_WAIT 状态，如果 Server端 没有收到 ACK 则可以重传。

服务器端收到ACK后，就知道可以断开连接了。客户端等待了2MSL后依然没有收到回复，则证明服务器端己正常关闭，那好，我容户端也可以关闭连接了。最终完成了四次握手。

客户端状态：

• ESTABLISHED 状态，表示可以传送数据；
• FIN_WAIT_1 终止等待 1 状态，等待服务器端的确认；
• FIN_WAIT_2 终止等待 2 状态，等待服务器端发出的连接释放报文段；
• TIME_WAIT 时间等待状态，表示等待 2 倍 MSL 时间后进入关闭状态 CLOSED；

服务端状态：

• ESTABLISHED 状态，表示可以传送数据；
• CLOSED_WAIT 关闭等待状态；
• LAST_ACK 最后确认状态；
• CLOSED 关闭状态。

TCP 可靠数据传输

一、TCP 能够提供可靠的数据传输服务，是通过一下工作机制来实现的：

1. 应用数据被分割成 TCP 任务最合适发送的数据块（统称是MSS），封装成 TCP 端，传递给 IP。
2. 当 TCP 发出一个段后，启动一个计时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时接收到一个确认，则认为该报文段丢失，将重发这个报文段。当 TCP 收到发自 TCP 连接另一端的数据，将发送一个确认段。
3. TCP 首部中设有校验和字段，用于检测数据在传输过程中是否发生差错。如果收到的报文段通过校验和检测，发现有差错， TCP 将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段（希望发送端超时并重发），而将已连续收到的应用层数据的最后一个字节的序号加 1，作为确认序号，向发送方发送确认段。
4. 由于 TCP 报文段封装到 IP 数据报中传输，而 IP 数据报的达到可能会经过不同的路径从而造成顺序错乱，因此 TCP 报文段的到达也可能会失序。如果必要，TCP 将根据序号对接收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层。
5. 由于存在网络延迟和重传机制，TCP 的接收端有可能会收到多个重复的报文段，这时接收端需要根据序号把重复的报文段丢弃。
6. TCP 能够提供流量控制。TCP 连接的每一方都在建立连接时分配一定大小的接收缓冲空间。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。这可以防止较快主机发送数据太快，致使较慢主机的缓冲区溢出。

TCP拥塞控制

拥塞控制：通过合理调度、规范、调整向网络中发送数据的主机数量、发送速率、数据量，以避免拥塞的发生。
TCP 拥塞控制的算法包括：慢启动；拥塞避免；快速重传；快速恢复。

• 慢启动：阈值之前的阶段称之为慢启动阶段，每经过RTT，拥塞窗口大小加倍。
• 拥塞避免：阈值之后的阶段称之为拥塞避免阶段，每经过RTT，拥塞窗口大小增加1。
• 快速恢复算法：当发生 3 次重复确认时，不再从慢启动阶段开始， 而是直接从新的阈值开始，直接进拥塞避免阶段。
  • 新阈值(12) =当前窗口(24)的一半；
  • 新拥塞窗口=新阈值。
• 计时器超时：可判定发生拥塞且拥塞严重。
  • 新阈值(12)=当前窗口(24)的一半；
  • 新拥塞窗口=1
  • 然后再从慢启动阶段、拥塞避免阶段增加窗口数量。