【云计算 IT 基础知识】5.4 传输层--5.4.1 TCP

[muzilan]

【云计算 IT 基础知识】系列1 目录/汇总（持续更新）

------------------------------------------------------------

5.4 传输层


5.4.1 TCP



概念

传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)是一种面向连接的、可靠的、基于字 节流的传输层通信协议(在RFC793中定义)。




特点

TCP具有以下特点:
l 面向连接的传输。
l 端到端的通信。
l 高可靠性,确保传输数据的正确性,不出现丢失或乱序。
l 全双工方式传输。
l 采用字节流方式,即以字节为单位传输字节序列。
l 紧急数据传送功能。
l 使用缓冲区。
l 提供重传机制。





原理


可靠性保障

TCP通过下列方式来保障数据传输的可靠性:
l 数据被分割成TCP最适合发送的数据块,也就是最大报文段长度。当一个连接建立 时,连接的双方都要通告各自的最大报文段长度。
l 当TCP发出一个报文段后,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。
l 当TCP收到发自TCP连接另一端的数据,它将发送一个确认。这个确认通常将推迟 几分之一秒发送,以便将ACK与需要沿该方向发送的数据一起发送。绝大多数实现 采用的时延为200ms。
l TCP通过端到端的首部和数据的检验和,检测数据在传输过程中的任何变化。如果 收到段的检验和有差错,TCP将丢弃这个报文段并不确认收到此报文段,希望发送 端超时并重发。
l 如果TCP报文段的到达顺序错误,TCP会对收到的数据进行重新排序,将数据以正 确顺序交给应用层。
l TCP接收端会丢弃重复的数据。
l TCP可提供流量控制。TCP连接的每一方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能接纳的数据,从而防止缓冲区溢出。



建立TCP连接

TCP通过三次握手完成连接的建立,如图5-27所示。


TCP连接建立的过程:
1. 客户端执行主动打开:客户端发送SYN包给服务器,其中包含序列号X。
2. 服务器收到SYN(SEQ=X)包后,向客户端回SYN(SEQ=Y)+ACK(SEQ=X+1)包作为应答以及对客户端SYN(SEQ=X)包的确认。
3. 客户端向服务器发送ACK(SEQ=Y+1)包,对服务器SYN(SEQ=Y)包进行确认。
同时打开:在很偶然的情况下,TCP连接的两方会同时彼此执行主动打开。这种情况下,每一方必须发送一个SYN,且这些SYN必须传递给对方。每一方均使用一个对方熟知的端口作为本地端口。例如,主机A中的一个应用程序使用 地端口7000,并与主机B的端口8000执行主动打开。主机B的一个应用程序则使用本地端口8000,并与主机A的 端口7000执行主动打开。它们仅建立一条连接而不两条连接,且每一端既是客户机又是服务器。


终止TCP连接

由于TCP连接是全双工的,因此每个方向都必须单独进行关闭。TCP通过四次握手完成
连接的终止,如图5-28所示。



TCP连接终止的过程:
1. 客户端执行主动关闭:客户端发送FIN包给服务器,其中包含序列号X。
2. 服务器收到FIN(SEQ=X)包后,向客户端回ACK(SEQ=X+1)包作为对客户端FIN(SEQ=X)包的确认。从客户端到服务器的传送被关闭。
3. 服务器执行被动关闭:服务器向客户端发送FIN(SEQ=Y) ACK(SEQ=X+1)包。
4. 客户端向服务器发送ACK(SEQ=Y+1)包,对服务器FIN(SEQ=Y)包进行确认。从服 务器到客户端的传送被关闭。

同时关闭:TCP连接的两方都可以执行主动关闭。

异常释放:通常情况下,TCP通过发送FIN包关闭连接。若使用的是复位报文来结束连接,则称为异常释放。使用异常释放,可以使复位报文的发送方立即丢弃待发数据,减少资源浪费,而接受方可以判断出发送方是正常关闭还是异常关闭。


流量控制

为了实现流量控制,TCP使用一种滑动窗口协议。TCP连接的双方为每个连接使用一个窗口。窗口区间是缓冲区的一部分,包含一方在等待另一方的确认期间所能发送的字节数据。该窗口之所以称为滑动窗口,是因为它能随着数据的发送、确认的接收,在整个缓冲区内滑动。
TCP的滑动窗口是面向字节的。滑动窗口的使用使传输效率更高,同时也能控制数据流量,使接收端不被数据所淹没。


拥塞控制

TCP提供4种拥塞控制机制来确保有效的利用带宽,并快速修复拥塞和错误:

l 慢速启动
新建立的连接不在一开始就大量发送数据包,而是根据网络情况逐步增加每次发送的数据量。当新建连接时,拥塞窗口大小初始化为1个最大报文段长度(以字节为
单位),发送端开始按照拥塞窗口大小发送数据。每当有一个报文段被确认,拥塞 窗口大小就增加1个最大报文段长度。拥塞窗口大小的值随着网络往返时间呈指数级增长。

l 拥塞避免

当拥塞窗口大小超过慢启动门限(通常是65536字节)后,慢速启动过程结束,进入拥塞避免阶段。拥塞避免的主要思想是加法增大,即拥塞窗口大小的值不再指数级往上升,而是开始加法增加。当窗口中所有的报文段都被确认时,拥塞窗口大小加1。拥塞窗口大小的值随着网络往返时间的增加而线性增加,从而避免增长过快 导致网络拥塞,逐渐增加调整到网络的最佳值。

l 快速重传

TCP在收到乱序到达包时会立即发送ACK,TCP利用3个相同的ACK来判定数据包的丢失。此时进行快速重传,包括把慢启动门限值设置为拥塞窗口大小的一半,把拥塞窗口大小重新设置为慢启动门限的值(具体实现有些为慢启动门限的值+3), 并重新进入拥塞避免阶段。

l 快速恢复

快速恢复与快速重传类似,但当收到3个重复ACK时,TCP最后进入的不是拥塞避免阶段,而是快速恢复阶段。快速恢复的思想是“数据包守恒”原则,即同一个时刻在网络中的数据包数量是恒定的,只有当“老”数据包离开了网络后,才能向网 络中发送一个“新”的数据包。如果发送方收到一个重复的ACK,根据TCP的ACK重传机制,就表明有一个数据包离开了网络,于是拥塞窗口大小加1。




报文格式


TCP的报文格式如图5-29所示。



报文中各字段的定义如表5-11所示。







------------------------------------------------------------

[赵4老师]

《TCP-IP详解卷一：协议》 《TCP-IP详解卷二：实现》 《TCP-IP详解卷三：TCP事务协议，HTTP，NNTP和UNIX域协议》

[muzilan]

引用 1 楼 zhao4zhong1 的回复:

《TCP-IP详解卷一：协议》 《TCP-IP详解卷二：实现》 《TCP-IP详解卷三：TCP事务协议，HTTP，NNTP和UNIX域协议》

仔细研读啊

[iseehell]

不明觉厉啊，TCP中包的封装和包头字段，能否来个介绍说明

[muzilan]

引用 3 楼 iseehell 的回复:

不明觉厉啊，TCP中包的封装和包头字段，能否来个介绍说明

TCP包头 　　TCP包头占有20个字节，即： 　　18 98 00 17 37 8d 49 3b 00 46 74 e0 50 18 fe d9 ea f7 00 00 　　(1) “18 98”，表示本地端口号，转换为十进制就是3368。 　　(2) “00 15”，表示目标端口号，转换为十进制就是23，因为我是连接TELNET站点，所以，这个就是23。 　　(3) “37 8d 49 3b”，是顺序号（Sequence Number），简写为SEQ。 　　(4) “00 46 74 e0”，是确认号（Acknowledgment Number），简写为ACKNUM。 　　(5) “50 18”，转换为二进制，“0101 0000 0001 1000”。这两个字节，总共16bit，有好多东西。第一个4bit“0101”，是TCP头长，十进制为5，表示20个字节。接着的6bit现在TCP协议没有用上，都为0。最后的6bit“01 1000”是六个重要的标志。这是两个计算机数据交流的信息标志。接收和发送断根据这些标志来确定信息流的种类。下面是一些介绍：　 　　URG：（Urgent Pointer field significant）紧急指针。用到的时候值为1，用来处理避免TCP数据流中断。 　　ACK：（Acknowledgment fieldsignificant）置1时表示确认号（AcknowledgmentNumber）为合法，为0的时候表示数据段不包含确认信息，确认号被忽略。 　　PSH：（Push Function），PUSH标志的数据，置1时请求的数据段在接收方得到后就可直接送到应用程序，而不必等到缓冲区满时才传送。 　　RST：（Reset the connection）用于复位因某种原因引起出现的错误连接，也用来拒绝非法数据和请求。如果接收到RST位时候，通常发生了某些错误。　 SYN：（Synchronize sequence numbers）用来建立连接，在连接请求中，SYN=1，ACK=0，连接响应时，SYN=1，ACK=1。即，SYN和ACK来区分Connection Request和Connection Accepted。　 　　FIN：（No more data from sender）用来释放连接，表明发送方已经没有数据发送了。　 　　这6个标志位，对号入座。本例中SYN=0，ACK=1，当然就是表示连接请求了。在分析TCP包头时候，要注意这两位的变换。　 　　(6) “fe d9”，窗口值，用来控制实现流量控制。 　　(7) “ea f7”，检验和，TCP的检验和是强制的。 　　(8) “00 00”，紧急指针。

[赵4老师]

还是要先学会使用抓包软件比如wireshark。

[muzilan]

引用 5 楼 zhao4zhong1 的回复:

还是要先学会使用抓包软件比如wireshark。

这个最实用

[muzilan]

大家讨论交流，才收获多

[muzilan]

[赵4老师]