TCP - 基础

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

• 应用层向 TCP 层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，然后 TCP 把数据流分区成适当长度的报文段（通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传输单元（MTU）的限制）。
• 之后 TCP 把结果包传给 IP 层，由它来通过网络将包传送给接收端实体的 TCP 层。
• TCP 为了保证不发生丢包，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。
• 接收端实体对已成功收到的包发回一个相应的确认（ACK）；如果发送端实体在合理的往返时延（RTT）内未收到确认，那么对应的数据包就被假设为已丢失将会被进行重传。
• TCP 用一个校验和函数来检验数据是否有错误；在发送和接收时都要计算校验和。

TCP 报文结构

1. 源端口（Source Port）- 16 位（bit）
2. 目标端口（Destination Port）- 16 位

源端口号和目的端口号，用来标识同一台计算机的不同的应用进程。TCP 报头中的源端口号和目的端口号同 IP 数据报中的源 IP 与目的 IP 唯一确定一条 TCP 连接。

3. 序列号（Sequence Number）- 发送数据包中的第一个字节的序列号，32位

在 TCP 传送的流中，每一个字节一个序号。比如一个报文段的序号为 300，此报文段的数据部分共有 100 字节，则下一个报文段的序号为 400。序号确保了 TCP 传输的有序性。

4. 确认序列号（Acknowledgment Number）- 32位

指明下一个期待收到的字节序号，表明该序号之前的所有数据已经正确无误的收到。确认号只有当 ACK 标志为 1 时才有效。

5. 数据偏移（Data Offset）- 4位，该字段的值是 TCP 首部（包括选项）长度除以4

首部长度也叫数据偏移，是因为首部长度实际上指示了数据区在报文段中的起始偏移值。

6. 保留（Reserved）：为将来定义新的用途保留，现在一般置 0
7. 控制标志位 - 6位
8. 窗口（Window）- 滑动窗口大小，16位

用来告诉TCP连接对端自己能够接收的最大数据长度。窗口大小最大为 65535。

9. 校验和（Checksum）- 奇偶校验，16位

此校验和是对整个的 TCP 报文段，包括 TCP 头部和 TCP 数据，以 16 位字进行计算所得。由发送端计算和存储，并由接收端进行验证。

10. 紧急指针（Urgent Pointers）- 紧急指针，16位

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，和顺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 的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。

11. 选项和填充（Options、Padding）

最常见的可选字段是最长报文大小，又称为 MSS (Maximum Segment Size)，每个连接方通常都在通信的第一个报文段 (为建立连接而设置 SYN 标志为 1 的那个段)中指明这个选项，它表示本端所能接受的最大报文段的长度。选项长度不一定是 32 位的整数倍，所以要加填充位，即在这个字段中加入额外的零，以保证 TCP 头是 32 的整数倍。

12. 数据

TCP 建立连接 (三次握手)

TCP三次握手的过程如下：

1. 客户端发送 SYN（SEQ=x）报文给服务器端，进入SYN_SEND状态。
2. 服务器端收到 SYN 报文，回应一个 SYN （SEQ=y）ACK (ACK=x+1）报文，进入 SYN_RECV 状态。
3. 客户端收到服务器端的 SYN 报文，回应一个 ACK(ACK=y+1）报文，进入 Established 状态。

三次握手完成，TCP 客户端和服务器端成功地建立连接，可以开始传输数据了。

TCP 关闭连接 (四次挥手)

建立一个连接需要三次握手，而终止一个连接要经过四次握手，这是由 TCP 的半关闭（half-close）造成的。

1. 客户端调用 close() 函数，并发送一个 FIN (finish) 标志为 1 的数据包给服务端，来表示本方的数据已经全部发送完毕，此时客户端进入 FIN_WAIT_1 状态。TCP 规定，FIN 报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
2. 服务端收到客户端的释放报文后，发出确认报文，其中 ACK=1, ack=u+1，并且带上自己的序列号 seq=v。表明自己接受到了客户端关闭连接的请求，但还没准备好关闭连接 (半关闭状态)，也就是说客户端已经没有数据要发送了，但服务端仍有可能会发送数据。发送完毕后，服务端进入 CLOSE_WAIT 状态。当客户端收到该报文后，客户端就进入 FIN-WAIT-2 状态，等待服务器发送连接释放报文。
3. 服务器端准备好关闭连接时，会向客户端发送一个连接释放报文，其中 FIN=1，ack=u+1。由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为 seq=w。发送完毕后，服务端便进入 LAST-ACK(最后确认) 状态。
4. 客户端收到服务器的连接释放报文后，需要发送一个确认包，其中 ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是 seq=u+1，并进入了 TIME-WAIT (时间等待)状态，等待过程可能出现的要求重传的 ACK 包。 此时 TCP 连接还没有释放，必须经过 2 * MSL (Maximum Segment Lifetime, 最长报文段寿命) 时间后，当客户端撤销相应的 TCB 后，才会进入 CLOSED 状态。 而服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入 CLOSED 状态。同样，撤销 TCB 后，就结束了这次的 TCP 连接。

TCP 和 UDP 的对比

参考文章

[HTTP 系列] 第 1 篇 —— 从 TCP/UDP 到 DNS 解析