TCP詳解

TCP協議詳解

TCP/IP協議不是TCP和IP這兩個協議的合稱，而是指因特網整個使用TCP/IP協議的協議集合。他取代了OSI七層模型，成為事實上的應用于實際的模型。

TCP/IP協議與OSI協議的關系如下：

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各層的作用如下：

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TCP特性：

工作在傳輸層面向連接協議

全雙工協議

半關閉

錯誤檢查

將數據打包成段，排序

確認機制

數據恢復，重傳

流量控制，滑動窗口

擁塞控制，慢啟動和擁塞避免算法

補充：TCP是一種面向連接的，可靠的傳輸層協議；全雙工代表可以雙向連同；TCP協議建立在不可靠的網絡層IP協議之上，IP不能提供任何可靠性機制，TCP的可靠性完全由自己實現，TCP采用的最基本的可靠性技術是確認與超時重傳和流量控制；

TCP包頭：

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下面是包頭內容的解釋：

源端口、目標端口：計算機上的進程要和其他進程通信是要通過計算機端口的，而一個計算機端口某個時刻只能被一個進程占用，所以通過指定源端口和目標端口，就可以知道是哪兩個進程需要通信。源端口、目標端口是用16位表示的，可推算計算機的端口個數為2^16個。

序列號：表示本報文段所發送數據的第一個字節的編號。在TCP連接中所傳送的字節流的每一個字節都會按順序編號。由于序列號由32位表示，所以每2^32個字節，就會出現序列號回繞，再次從0開始。

確認號：表示接收方期望收到發送方下一個報文段的第一個字節數據的編號。也就是告訴發送方：我希望你下次發送的數據的第一個字節數據的編號是這個確認號。

數據偏移：表示TCP報文段的首部長度，共4位，由于TCP首部包含一個長度可變的選項部分，需要指定這個TCP報文段到底有多長。它指出TCP報文段的數據起始處距離TCP報文段的起始處有多遠。該字段的單位是32位（即4個字節為計算單位），4位二進制最大表示15，所以數據偏移也就是TCP首部最大60字節。

URG：表示本報文段中發送的數據是否包含緊急數據。后面的緊急指針字段（urgent pointer）只有當URG=1時才有效。

ACK：表示是否前面的確認號字段是否有效。ACK=1，表示有效。只有當ACK=1時，前面的確認號字段才有效。TCP規定，連接建立后，ACK必須為1，帶ACK標志的TCP報文段稱為確認報文段。

PSH：提示接收端應用程序應該立即從TCP接收緩沖區中讀取數據，為接收后續數據騰出空間。如果為1，則表示對方應當立即把數據提交給上層應用，而不是緩存起來，如果應用程序不將接收到的數據讀取，就會一直停留在TCP接收緩沖區中

PST：如果收到一個RST=1的報文，說明與主機的連接出現了嚴重錯誤（如主機崩潰），必須釋放連接，然后重新建立連接?；蛘哒f明上次發送給主機的數據有問題，主機拒絕響應，帶RST標志的TCP報文段稱為復位報文段。

SYN：在建立連接時使用，用來同步序號。當SYN=1，ACK=0時，表示這是一個請求建立連接的報文段；當SYN=1,ACK=1時，表示對方同意建立連接。SYN=1，ACK=1時，表示對方同意建立連接。SYN=1，說明這是一個請求建立連接或同意建立連接的報文。只有在前兩次握手中SYN才置為1，帶SYN標志的TCP報文段稱為同步報文段。

FIN：表示通知對方本端要關閉連接了，標記數據是否發送完畢。如果FIN=1，即告訴對方：“我的數據已經發送完畢，你可以釋放連接了”，帶FIN標志的TCP報文段稱為結束報文段。

窗口大小: 表示現在允許對方發送的數據量，也就是告訴對方，從本報文段的確認號開始允許對方發送的數據量。

校驗和：提供額外的可靠性。

緊急指針：標記緊急數據在數據字段中的位置。

選項部分：其最大長度可根據TCP首部長度進行推算。TCP首部長度用4位表示，選項部分最長為：（2^4-1)*4-20=40字節。

常見選項：

最大報文段長度

窗口擴大

時間戳

TCP端口：

如果把IP地址比作一間房子，端口就是出入這間房子的門。真正的房子只有幾個門，但是一個IP地址的端口可以有65535個之多。端口號號只有整數，從0到65535。

在這65535個端口之中：

0-1023：被永久的分配給固定的系統應用使用，如：

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

1024-49151: 被用于用戶端口或注冊端口，但要求并不嚴格，分配給程序注冊為某應用使用

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

49152-65535: 動態端口或私有端口，客戶端程序隨機使用的端口

客戶端用戶可用的端口號隨機范圍：

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現在重點講一下，TCP的三次握手，四次揮手：

三次握手，指的是通過兩臺要相連的主機互相發送消息，來確認連接。他們的連接過程相當于：

甲方：我能連接你吧？

我聽到你的話了，你能連接我：乙方

甲方：好的，那我連接你了

這樣三次相互發消息之后，雙方就可以建立連接了。
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圖解：

CLOSED: 沒有任何連接狀態

LISTEN: 偵聽狀態，等待來自遠方TCP端口的連接請求

SYN-SENT：在發送連接請求后，等待對方確認

SYN-RECEIVED：在收到和發送一個連接請求后，等待對方確認

ESTABLISHED：代表傳輸連接建立，雙方進入數據傳送狀態

四次揮手，代表正在建立連接的兩臺主機，由其中一臺先發出斷連消息，另外一臺確定。其過程包手4次收發。

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圖解，當客戶機發出斷連消息，并發送FIN=1,seq=u的數據包，FIN意味著分手。服務器端收到消息后發送ACK=1，seq=v,ack=u+1，ACK表示確認收到了客戶機發的消息，同時發送FIN=1，ACK=1,seq=w,ack=u+1,表示確認分手。這時客戶機收到消息，再次向服務器發送ACK=1，seq=u+1，ack=w+1,向服務器表示我（指客戶機）收到了確認分手的消息，這個過程所用的時間是大約兩分鐘。

ESTABLISHED：代表傳輸連接建立，雙方進入數據傳送狀態

FIN-WAIT-1：主動關閉，主機已發送關閉連接請求，等待對方確認

FIN-WAIT-2：主動關閉，主機已收到對方關閉傳輸連接確認，等待對方發送關閉傳輸連接請求

TIME-WAIT：完成雙向傳輸連接關閉，等待所有分組消失

CLOSE-WAIT：被動關閉，等待最后一個關閉傳輸連接確認，并等待所有分組消失

CLOSING：雙方同時嘗試關閉傳輸連接，等待對方確認

有限狀態機：

客戶端發送FIN給服務端時，自己進入了FIN_WAIT_1狀態，這時等待接收服務端的報文，該報文會有三種可能：

1.只有服務端的ACK。只收到服務器的ACK，客戶端會進入FIN_WAIT_2狀態，當收到FIN時，才會給服務器端發送一個確認收到的ACK，然后進入TIME_WAIT狀態。這個狀態會持續2MSL。

2.只有服務器端的FIN時，回應一個ACK給服務端，進入CLOSING狀態，然后接收到服務端的ACK時，進入TIME_WAIT狀態

3.同時收到服務端的ACK和FIN,直接進入TIME_WAIT狀態。

可以由下圖表示：

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客戶端的典型狀態轉移：

客戶端通過connect系統調用主動與服務器建立連接connect系統調用首先給服務器發送一個同步報文段，使連接轉移到SYN_SENT狀態。此后connect系統調用可能因為如下兩個原因失敗返回：

1. 如果connect連接的目標端口不存在（未被任何進程監聽），或者該端口仍被牌TIME_WAIT狀態的連接所占用，則服務器將給客戶端發送一個復位報文段，connect調用失敗。

2. 如果目標端口存在，但connect在超時時間內未收到服務器的確認報文段，則connect調用失敗。

Connect調用失敗將使連接立即返回到初始的CLOSED狀態。如果客戶端成功收到服務器的同步報文段和確認，則connect調用成功返回，連接轉移至ESTABLISHED狀態

孤兒連接：導致產生孤兒連接的，是發送的一方長時間收不到接收方發送的消息，一直停留在一個狀態下。這容易消耗資源，所以系統定義兩個參數來防止過多的孤兒連接拖累系統：

/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_orphans 指定內核能接管的孤兒連接數目

/proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout 指定孤兒連接在內核中生存的時間

TCP超時重傳：

當網絡出現異常狀況時，在發送信息的過程中容易出現超時或丟包的情況。TCP服務則注重解決這一問題。

TCP服務必須能夠重傳超時時間內未收到確認的TCP報文段。為此，TCP模塊為每個TCP報文段都維護一個重傳定時器，該定時器在TCP報文段第一次被發送時啟動，如果超時時間內未收到接收方的應答，TCP模塊將重傳TCP報文段并重置定時器。至于下次重傳的超時時間如何選擇，以及最多執行多少次重傳，就是TCP的重傳策略

與TCP超時重傳相關的兩個內核參數：

/proc/sys/net/ipv4/tcp_retries1, 指定在底層IP接管之前TCP最少執行的重傳次數，默認值是3.

/proc/sys/net/ipv4/tcp_retries2, 指定連接放棄前TCP最多可以執行的重傳次數，默認值15（一般對應13~30min）

TCP端口號：

源端口（Sorce Port）在前，目標端口（Dest Port）在后。