传输层协议（TCP）

传输层在TCP/IP协议中包含两种协议，分别为UDP和TCP协议，用户数据报协议上节内容已经介绍，本节将详细介绍传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）。

1. 传输控制协议

传输控制协议（TCP）是IP层的上层协议，在IP的协议的字段为6。

TCP协议与UDP异同点

• TCP是建立连接的控制传输，而UDP非连接的传输
• TCP是一对一的控制传输，UDP可以为一对一传输，也可以一对多传输
• TCP是可靠传输，UDP是非可靠传输

TCP报文字段

TCP报文头字段如图1所示，

图1 TCP 报头字段

• 源端口（Source port），16位源端口，对应发送主机的应用程序。
• 目的端口（Destination port），16位目的端口号，对应接收主机的应用程序。
• 序号：Seq序列号，占32位，用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流，发起方发送数据时对此进行标记，初始的序列号可以为随机数（一般设为0）。具有双重作用：
  如果 SYN 标志设置为 1，则这是初始序列号。 实际第一个数据字节的序列号和相应 ACK 中的确认号就是这个序列号加 1。
  如果 SYN 标志清零 0，则这是当前session的segment的第一个数据字节的累积序列号。
• 确认序号：Ack序号，占32位，只有ACK标志位为1时，确认序号字段才有效，Ack = Seq + 1。
• 数据偏移:指出TCP头部数据长度（32-bit），也是数据部分（payload）的偏移。最小值是5，最大值是15。
• 标志位：共9个，即NS、CWR、ECE、URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等，具体含义如下：
  1. NS：ECN（Explicit Congestion Notification，显式拥塞通知）随机数隐蔽保护（目前在实验阶段）。
  2. CWR：发送主机设置CWR（Congestion Window Reduced，拥塞窗口减少 ）标志来说明它收到一个设置了 ECE 标志的 TCP 段，并已在拥塞控制机制中作出响应。
  3. ECE：Echo 具有双重作用，具体取决于 SYN 标志的值：
     如果 SYN 标志设置为 1，则 TCP 对等体具有 ECN（Explicit Congestion Notification，显式拥塞通知）的能力。
     如果 SYN 标志清零 0，则在正常传输期间接收到 IP 包头中设置了拥塞经历过的标志 （ECN=2’b11）的数据包。 这可作为TCP 发送方网络拥塞（或即将发生拥塞）的指示 。
  4. URG：紧急指针（urgent pointer）有效。
  5. ACK：确认序号有效。只有该位设置为1，确认序列号才有效。
  6. PSH：接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
  7. RST：复位并重置连接。
  8. SYN：同步序列号，只有发起一个新连接时有效。
  9. FIN：最后一包并释放一个连接。
• 窗口尺寸（window size），设置TCP接收内存的大小，服务器与客户机可以设置不同的值，一般在建立连接时双方都会通知对方窗口尺寸的大小。

图2

滑动窗口

滑动窗口是指TCP发送程序，对内存的控制，线性增长，指数衰减。如图3所示

图3-1  TCP滑动窗口示意图

图3-2  TCP滑动窗口示意图

以64K window size 为例，初始发送16K byte数据，随后每次按1K增长，如果有没有确认或丢失的包超时，将会把滑动窗口尺寸减半。如果发送端实体在合理的往返时延（RTT，Round Trip Time）内未收到确认，那么对应的数据（假设丢失了）将会被重传。

TCP的checksum计算

TCP的checksum计算首先也要建立伪IP包头，如图4所示，细节参照UDP伪包头的构建方式

图4   TCP checksum计算示意图

2. TCP链接及终止过程：

• 建立过程（3次握手）
  • Server 端，准备 IP与TCP端口绑定
  • 客户端发送SYN请求
  • Server端应答SYN，并同时发送SYN
  • 客户端 应答，至此建立链接完成
• 数据通信
• 中止过程（4次握手）
  • 客户端发出FIN请求
  • Server应答（ACK）客户端的FIN请求
  • Server发出FIN请求
  • 客户端应答Server端的FIN请求，断开链接。
  • 如果在超时时间内没有收到应答，Server 即会自动断开链接

图5 TCP建立及中止链接

•  SYN，ACK，Seq之间的关系如图6。

图6-1

图6-2

3. 数据传输：

• 数据分片：在发送端对用户数据进行分片，在接收端进行重组，由TCP确定分片的大小并控制分片和重组；
• 到达确认：接收端接收到分片数据时，根据分片数据序号向发送端发送一个确认；
• 超时重发：发送方在发送分片时启动超时定时器，如果在定时器超时之后没有收到相应的确认，重发分片；
• 滑动窗口：TCP连接每一方的接收缓冲空间大小都固定，接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据，TCP在滑动窗口的基础上提供流量控制，防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出；
• 失序处理：作为IP数据报来传输的TCP分片到达时可能会失序，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；
• 重复处理：作为IP数据报来传输的TCP分片会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据；
• 数据校验：TCP将保持它首部和数据的检验和，这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到分片的检验和有差错，TCP将丢弃这个分片，并不确认收到此报文段导致对端超时并重发。