TCP详解

TCP协议详解

TCP/IP协议不是TCP和IP这两个协议的合称，而是指因特网整个使用TCP/IP协议的协议集合。他取代了OSI七层模型，成为事实上的应用于实际的模型。

TCP/IP协议与OSI协议的关系如下：

各层的作用如下：

TCP特性：

工作在传输层面向连接协议

全双工协议

半关闭

错误检查

将数据打包成段，排序

确认机制

数据恢复，重传

流量控制，滑动窗口

拥塞控制，慢启动和拥塞避免算法

补充：TCP是一种面向连接的，可靠的传输层协议；全双工代表可以双向连同；TCP协议建立在不可靠的网络层IP协议之上，IP不能提供任何可靠性机制，TCP的可靠性完全由自己实现，TCP采用的最基本的可靠性技术是确认与超时重传和流量控制；

TCP包头：

下面是包头内容的解释：

源端口、目标端口：计算机上的进程要和其他进程通信是要通过计算机端口的，而一个计算机端口某个时刻只能被一个进程占用，所以通过指定源端口和目标端口，就可以知道是哪两个进程需要通信。源端口、目标端口是用16位表示的，可推算计算机的端口个数为2^16个。

序列号：表示本报文段所发送数据的第一个字节的编号。在TCP连接中所传送的字节流的每一个字节都会按顺序编号。由于序列号由32位表示，所以每2^32个字节，就会出现序列号回绕，再次从0开始。

确认号：表示接收方期望收到发送方下一个报文段的第一个字节数据的编号。也就是告诉发送方：我希望你下次发送的数据的第一个字节数据的编号是这个确认号。

数据偏移：表示TCP报文段的首部长度，共4位，由于TCP首部包含一个长度可变的选项部分，需要指定这个TCP报文段到底有多长。它指出TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远。该字段的单位是32位（即4个字节为计算单位），4位二进制最大表示15，所以数据偏移也就是TCP首部最大60字节。

URG：表示本报文段中发送的数据是否包含紧急数据。后面的紧急指针字段（urgent pointer）只有当URG=1时才有效。

ACK：表示是否前面的确认号字段是否有效。ACK=1，表示有效。只有当ACK=1时，前面的确认号字段才有效。TCP规定，连接建立后，ACK必须为1，带ACK标志的TCP报文段称为确认报文段。

PSH：提示接收端应用程序应该立即从TCP接收缓冲区中读取数据，为接收后续数据腾出空间。如果为1，则表示对方应当立即把数据提交给上层应用，而不是缓存起来，如果应用程序不将接收到的数据读取，就会一直停留在TCP接收缓冲区中

PST：如果收到一个RST=1的报文，说明与主机的连接出现了严重错误（如主机崩溃），必须释放连接，然后重新建立连接。或者说明上次发送给主机的数据有问题，主机拒绝响应，带RST标志的TCP报文段称为复位报文段。

SYN：在建立连接时使用，用来同步序号。当SYN=1，ACK=0时，表示这是一个请求建立连接的报文段；当SYN=1,ACK=1时，表示对方同意建立连接。SYN=1，ACK=1时，表示对方同意建立连接。SYN=1，说明这是一个请求建立连接或同意建立连接的报文。只有在前两次握手中SYN才置为1，带SYN标志的TCP报文段称为同步报文段。

FIN：表示通知对方本端要关闭连接了，标记数据是否发送完毕。如果FIN=1，即告诉对方：“我的数据已经发送完毕，你可以释放连接了”，带FIN标志的TCP报文段称为结束报文段。

窗口大小: 表示现在允许对方发送的数据量，也就是告诉对方，从本报文段的确认号开始允许对方发送的数据量。

校验和：提供额外的可靠性。

紧急指针：标记紧急数据在数据字段中的位置。

选项部分：其最大长度可根据TCP首部长度进行推算。TCP首部长度用4位表示，选项部分最长为：（2^4-1)*4-20=40字节。

常见选项：

最大报文段长度

窗口扩大

时间戳

TCP端口：

如果把IP地址比作一间房子，端口就是出入这间房子的门。真正的房子只有几个门，但是一个IP地址的端口可以 有65535个之多。端口号号只有整数，从0到65535。

在这65535个端口之中：

0-1023：被永久的分配给固定的系统应用使用，如：

22/tcp(ssh), 80/tcp(http), 443/tcp(https)

1024-49151: 被用于用户端口或注册端口，但要求并不严格，分配给程序注册为某应用使用

包括：1433/tcp(SqlServer),1521/tcp(oracle), 3306/tcp(mysql), 11211/tcp/udp(memcached)

49152-65535: 动态端口或私有端口，客户端程序随机使用的端口

客户端用户可用的端口号随机范围：

现在重点讲一下，TCP的三次握手，四次挥手：

三次握手，指的是通过两台要相连的主机互相发送消息，来确认连接。他们的连接过程相当于：

甲方：我能连接你吧？

我听到你的话了，你能连接我：乙方

甲方：好的，那我连接你了

这样三次相互发消息之后，双方就可以建立连接了。

图解：

CLOSED: 没有任何连接状态

LISTEN: 侦听状态，等待来自远方TCP端口的连接请求

SYN-SENT：在发送连接请求后，等待对方确认

SYN-RECEIVED：在收到和发送一个连接请求后，等待对方确认

ESTABLISHED：代表传输连接建立，双方进入数据传送状态

四次挥手，代表正在建立连接的两台主机，由其中一台先发出断连消息，另外一台确定。其过程包手4次收发。

图解，当客户机发出断连消息，并发送FIN=1,seq=u的数据包，FIN意味着分手。服务器端收到消息后发送ACK=1，seq=v,ack=u+1，ACK表示确认收到了客户机发的消息，同时发送FIN=1，ACK=1,seq=w,ack=u+1,表示确认分手。这时客户机收到消息，再次向服务器发送ACK=1，seq=u+1，ack=w+1,向服务器表示我（指客户机）收到了确认分手的消息，这个过程所用的时间是大约两分钟。

ESTABLISHED：代表传输连接建立，双方进入数据传送状态

FIN-WAIT-1：主动关闭，主机已发送关闭连接请求，等待对方确认

FIN-WAIT-2：主动关闭，主机已收到对方关闭传输连接确认，等待对方发送关闭传输连接请求

TIME-WAIT：完成双向传输连接关闭，等待所有分组消失

CLOSE-WAIT：被动关闭，等待最后一个关闭传输连接确认，并等待所有分组消失

CLOSING：双方同时尝试关闭传输连接，等待对方确认

有限状态机：

客户端发送FIN给服务端时，自己进入了FIN_WAIT_1状态，这时等待接收服务端的报文，该报文会有三种可能：

1.只有服务端的ACK。只收到服务器的ACK，客户端会进入FIN_WAIT_2状态，当收到FIN时，才会给服务器端发送一个确认收到的ACK，然后进入TIME_WAIT状态。这个状态会持续2MSL。

2.只有服务器端的FIN时，回应一个ACK给服务端，进入CLOSING状态，然后接收到服务端的ACK时，进入TIME_WAIT状态

3.同时收到服务端的ACK和FIN,直接进入TIME_WAIT状态。

可以由下图表示：

客户端的典型状态转移：

客户端通过connect系统调用主动与服务器建立连接connect系统调用首先给服务器发送一个同步报文段，使连接转移到SYN_SENT状态。此后connect系统调用可能因为如下两个原因失败返回：

1. 如果connect连接的目标端口不存在（未被任何进程监听），或者该端口仍被牌TIME_WAIT状态的连接所占用，则服务器将给客户端发送一个复位报文段，connect调用失败。

2. 如果目标端口存在，但connect在超时时间内未收到服务器的确认报文段，则connect调用失败。

Connect调用失败将使连接立即返回到初始的CLOSED状态。如果客户端成功收到服务器的同步报文段和确认，则connect调用成功返回，连接转移至ESTABLISHED状态

孤儿连接：导致产生孤儿连接的，是发送的一方长时间收不到接收方发送的消息，一直停留在一个状态下。这容易消耗资源，所以系统定义两个参数来防止过多的孤儿连接拖累系统：

/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_orphans 指定内核能接管的孤儿连接数目

/proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout 指定孤儿连接在内核中生存的时间

TCP超时重传：

当网络出现异常状况时，在发送信息的过程中容易出现超时或丢包的情况。TCP服务则注重解决这一问题。

TCP服务必须能够重传超时时间内未收到确认的TCP报文段。为此，TCP模块为每个TCP报文段都维护一个重传定时器，该定时器在TCP报文段第一次被发送时启动，如果超时时间内未收到接收方的应答，TCP模块将重传TCP报文段并重置定时器。至于下次重传的超时时间如何选择，以及最多执行多少次重传，就是TCP的重传策略

与TCP超时重传相关的两个内核参数：

/proc/sys/net/ipv4/tcp_retries1, 指定在底层IP接管之前TCP最少执行的重传次数，默认值是3.

/proc/sys/net/ipv4/tcp_retries2, 指定连接放弃前TCP最多可以执行的重传次数，默认值15（一般对应13~30min）

TCP端口号：

源端口（Sorce Port）在前，目标端口（Dest Port）在后。