TCP传输控制协议

一、 TCP协议

      TCP是一种面向连接（连接导向）的、可靠的基于字节流的传输层通信协议。TCP将用户数据打包成报文段，它发送后启动一个定时器，另一端收到的数据进行确认、对失序的数据重新排序、丢弃重复数据。

TCP的特点有：

1. TCP是面向连接的运输层协议

2. 每一条TCP连接只能有两个端点，每一条TCP连接只能是点对点的

3. TCP提供可靠交付的服务

4. TCP提供全双工通信。数据在两个方向上独立的进行传输。因此，连接的每一端必须保持每个方向上的传输数据序号。

5. 面向字节流。面向字节流的含义：虽然应用程序和TCP交互是一次一个数据块，但TCP把应用程序交下来的数据仅仅是一连串的无结构的字节流

TCP报文首部，如下图所示：

1. 源端口号：数据发起者的端口号，16bit

2. 目的端口号：数据接收者的端口号，16bit

3. 序号：32bit的序列号，由发送方使用

4. 确认序号：32bit的确认号，是接收数据方期望收到发送方的下一个报文段的序号，因此确认序号应当是上次已成功收到数据字节序号加1。

5. 首部长度：首部中32bit字的数目，可表示15*32bit=60字节的首部。一般首部长度为20字节。

6. 保留：6bit, 均为0

7. 紧急URG：当URG=1时，表示报文段中有紧急数据，应尽快传送。

8. 确认比特ACK：ACK = 1时代表这是一个确认的TCP包，取值0则不是确认包。

9. 推送比特PSH：当发送端PSH=1时，接收端尽快的交付给应用进程。

10. 复位比特（RST）：当RST=1时，表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，再重新建立连接。

11. 同步比特SYN：在建立连接是用来同步序号。SYN=1， ACK=0表示一个连接请求报文段。SYN=1，ACK=1表示同意建立连接。

12. 终止比特FIN：FIN=1时，表明此报文段的发送端的数据已经发送完毕，并要求释放传输连接。

13. 窗口：用来控制对方发送的数据量，通知发放已确定的发送窗口上限。

14. 检验和：该字段检验的范围包括首部和数据这两部分。由发端计算和存储，并由收端进行验证。

15. 紧急指针：紧急指针在URG=1时才有效，它指出本报文段中的紧急数据的字节数。

16. 选项：长度可变，最长可达40字节

注意：URG紧急指针和PSH推送的区别

1）URG紧急位

URG标志URG紧急指针有效。当URG=1时，表示分段中有紧急数据应当加速传送。其中的紧急数据需要直接交付给接收端的进程，而不进入缓存。

    紧急数据的长度=紧急指针；

    紧急数据的起始点=序号；

    紧急数据的终止点=序号+紧急指针；

（综上，紧急指针就是记录紧急数据的字节数，紧急指针永远为正数）

   i)在紧急数据后面的数据为普通数据，需要按序缓存

   ii)窗口为0也可以发送紧急数据

   iii)紧急数据都处理完成后，tcp就告诉进程恢复到正常操作

2) PSH推送位

     PPSH标志 PSH 紧急位。当PSH=1时，要求发送方马上发送该分段，将这个报文及缓存区之间缓存尚未交付的数据一并交付给进程，不做队列处理。

     1)PSH的数据=本报文数据+缓存区数据

     2)PSH的方向--->单方向（接收PSH报文的一端）     

3) 区别

    URG交付给进程的数据：只有紧急数据,而且不经过缓冲区

    PSH交付给进程的数据：缓冲区排好序的数据及当前报文中的数据，经过缓冲区

二、 TCP连接

其实，网络上的传输是没有连接的，包括TCP也是一样的。而TCP所谓的“连接”，其实只不过是在通讯的双方维护一个“连接状态”，让它看上去好像有连接一样。所以，TCP的状态变换是非常重要的。

下面是：“TCP协议的状态机”（图片来源） 和 “TCP建链接”、“TCP断链接”、“传数据” 的对照图

 

接下来是一个具体的例子。

建立连接

首先Client端发送连接请求报文，Server段接受连接后回复ACK报文，并为这次连接分配资源。Client端接收到ACK报文后也向Server段发生ACK报文，并分配资源，这样TCP连接就建立了。

附：

我们看到在client发送请求的时候，mss值为1460？这个值是怎么来的呢？

首先数据在传输的时候需要经过数据链路层（MAC）、网络层（IP）、传输层（TCP），我们知道一般在数据链路层采用的是以太网，而以太网的MTU(最大传输单元)为1500字节，IP数据报的报文长度最少为20字节，TCP的报文长度最少为20，所以最多能传送的数据的个数就是1460.

断开连接

【注意】中断连接端可以是Client端，也可以是Server端。

假设Client端发起中断连接请求，也就是发送FIN报文。Server端接到FIN报文后，意思是说"我Client端没有数据要发给你了"，但是如果你还有数据没有发送完成，则不必急着关闭Socket，可以继续发送数据。所以你先发送ACK，"告诉Client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Client端就进入FIN_WAIT状态，继续等待Server端的FIN报文。当Server端确定数据已发送完成，则向Client端发送FIN报文，"告诉Client端，好了，我这边数据发完了，准备好关闭连接了"。Client端收到FIN报文后，"就知道可以关闭连接了，但是他还是不相信网络，怕Server端不知道要关闭，所以发送ACK后进入TIME_WAIT状态，如果Server端没有收到ACK则可以重传。“，Server端收到ACK后，"就知道可以断开连接了"。Client端等待了2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那好，我Client端也可以关闭连接了。Ok，TCP连接就这样关闭了！（这也是为什么需要四次挥手的原因）

整个过程Client端所经历的状态如下：

而Server端所经历的过程如下：

为什么TCP建立连接的时候是三次，两次不可以吗，四次呢？

在只有两次握手的情况下：假设client请求和server建立连接，server收到了client的请求，并且发送了一个应答信号，并且开辟了资源，但是client由于某种原因可能没有收到应答信号。此时client就会继续重新发送连接请求，导致server会建立两次连接响应，开辟两次资源。一旦出现了多次的client收不到server的应答请求，那么就会造成server端资源的严重浪费，而且还会占用带宽。

所以再添加一次client的确认信号，来保证刚刚的两次连接是已经建立成功的，能够保证通信。三次就已经能保证当前的通信为全双工。至于为何没有第四次，因为通过三次握手双方已经互相确保了己方、对方都可以正常接收、发送信息了，无需第四次。