1. TCP的服务

TCP处于传输层，提供了一种面向连接的、可靠的字节流（byte stream）服务。

第一个特性面向连接是指两个TCP应用（通常是一个客户端和一个服务端）在彼此交换数据之前必须先建立一条连接。在一个TCP连接中，仅有两方进行彼此通信。

第二个特性可靠性是通过下列方式来提供的：

  • 应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据库（这和UDP完全不同，在UDP中，应用程序产生的数据报长度保持不变）。由TCP传递给IP的信息单位称为报文段或者段（segment）。
  • 当TCP发出一个段以后，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。
  • 当TCP收到发自TCP连接另一端的数据，它将发送一个确认。这个确认不是立即发送，通常是推迟几分之一秒。
  • TCP将保持它首部和数据的校验和。这是一个端到端的校验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的校验和有差错，TCP将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段（希望发端超时并重发）。
  • 既然TCP报文段作为IP数据报来发送，而IP数据报的到达可能会失序，因此TCP报文段的到达也可能失序。如果必要，TCP将对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。
  • 既然IP数据报会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据。
  • TCP还能提供流量控制。TCP连接的每一个都有固定大小的缓冲空间。TCP的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所接纳的数据。这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。

第三个特性字节流指两个应用程序通过TCP连接交换8位（bit）构成的字节流。TCP不在字节流中插入任何记录标示符。另外，TCP对字节流的内容不做任何解释。TCP不知道传输的数据字节流是二进制数据，还是ASCII字符、EBCDIC字符或者其他类型的字符。对字节流的解释由TCP连接双方的应用层解释。

2. TCP的首部

TCP数据被封装在一个IP数据报中，如图1所示：

tcp_head

如图，TCP报文段由TCP首部和TCP报文段的数据部分（可为空）组成；而IP数据报则由IP首部和TCP报文段 （作为IP数据报的数据部分）组成。

如果不计任何任选字段，TCP首部通常由20个字节（byte）组成：

  • 1~4字节（4 byte = 32 bit，0~31 bit）为源端口号（16bit）和目的端口号（16bit）。用于寻找发端和收端的应用进程。这两个值加上IP首部中的源端IP地址和目的端IP地址唯一确定一个TCP连接。在RFC793规范中，一个IP地址和一个端口号称为一个socket，后来也用来表示网络编程中的编程接口，即我们熟悉的套接字。一个四元组（socket pair）{ 客户端IP地址，客户端端口，服务器IP地址，服务器端口号 }可唯一确定一个互联网络中每个TCP连接的双方。
  • 5~8字节为序号（32bit）。序号用来标识从TCP发端向TCP收端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的第一个数据字节。如果将字节流看做在两个应用程序间的单向流动，则TCP用序号对每个字节进行计数。序号是32bit的无符号数，序号到达$2^{32}-1$后又从0开始。当建立一个新的连接时，SYN标志变为1.序号字段包含由这个主机选择的该连接的初始序号ISN（Initial Sequence Number）。该主机要发送数据的第一个字节序号为这个ISN加1，以为SYN标志消耗了一个序号。

  • 9~12字节为确认号。既然每个传输的字节都要被计数，确认序号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号。因此，确认序号应当是上次已成功收到数据字节序号加1.只有ACK标志为1时确认序号字段才有效。发送ACK无需任何代价，因为32 bit的确认号字段和ACK标志一样，总是TCP首部的一部分。因此，我们看到一旦一个连接建立起来，这个字段总是被设置，ACK标志也总是被设置为1.TCP为应用层提供全双工服务。这意味着数据能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自己方向上的传输数据序号。

    TCP可以表述为一个没有选择确认或否认的滑动窗口协议（滑动窗口协议用于数据传输）。我们说TCP缺少选择确认是因为TCP首部的确认序号表示发方（发送确认序号的一方）已成功收到字节，但还不包含确认序号所指的字节。当前还无法对数据流中选定的部分进行确认。例如，如果1~1024字节已经成功收到，下一个报文段中包含序号为从2049~3027的字节，那么收端并不能确认这个新的报文段。它能做的就是发回一个确认号为1025的ACK。它也无法对一个报文段进行否认。例如，如果收到包含1025~2048字节的报文段，但它的检验和错，TCP接收端所能做的就是发回一个确认序号为1025的ACK。

  • 13~14字节由4 bit的首部长度、6 bit的保留字段、6 bit的标志位组成。（1）首部长度：首部长度给出首部中32 bit字的数目。需要这个值是因为任选字段的长度是可变的。这个字段为4 bit，所以TCP最大的首部长度为60字节（$(2^4-1)*32 bit = 60 byte$）。然而，一般都没有任选字段，所以TCP正常的首部长度为20字节。（2）6个标志位。这6个标志位中的多个可以同时被设置为1，它们的具体作用后面会陆续介绍，这里只简单说明一下：

    URG        紧急指针（urgent pointer）有效
    ACK        确认序号有效
    PSH        接收方应该尽快将这个报文段交给应用层
    RST       重建连接
    SYN        同步序号用来发起一个连接
    FIN        发端完成发送任务
  • 15~16字节为窗口大小。TCP的流量控制由连接的每一端通过声明的窗口大小来提供。窗口大小为字节数，起始于确认号字段指明的值，这个值是接收端正期望接收的字节。窗口大小是一个16 bit字段，因为窗口大小最大为65535字节.
  • 17~18字节为检验和。检验和覆盖了整个TCP报文段：TCP首部和TCP数据。这是一个强制性字段，一定由发端计算和存储，并由收端进行验证。
  • 19~20字节为紧急指针。只有当URG标志置1时紧急指针才有效。紧急指针是一个正的偏移量，和序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。TCP的紧急方式使发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。

至此，常见的20字节长度的TCP首部就介绍完了。

  • 21~n字节(n ≤ 60)为首部可选字段。最常见的可选字段是最长报文大小（MSS，Maximum Segment Size）。每个连接通常都在通信的第一个报文段（为建立连接而设置SYN标志的那个段）中指明这个选项。他指明本端所能接收的最大长度的报文段。

最后附一张图（图片来源：https://nmap.org/book/tcpip-ref.html）

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