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挑战408——一周网络——运输层（3）

分类: 文章 • 2025-02-08 23:02:34

TCP协议

TCP协议的主要特点

对比UDP协议，TCP协议就要复杂很多了。对比UDP协议，TCP协议有以下几点不同：

  1. TCP是面向连接的传输层协议。也就是说，使用TCP协议的通信双方事先就要建立连接，在整个连接过程当中控制个管理连接，并在通信之后释放整个连接。
  2. TCP连接只能是一对一的。也就是每一条TCP连接只能是两个端点。
  3. TCP提供的是可靠交付服务。也就是通过TCP连接传输的数据，无差错，不丢失，不重复，并按序到达。
  4. TCP提供全双工通信。即允许通信双方的进程，在任何时候都可以发送数据。这就要求通信双方要有自己的发送和接收缓冲区，用来临时存放双方通信的数据。
  5. TCP是面向字节流的。这部分后面再说

TCP的连接

每一条TCP连接有两个端点，这个端点叫套接字，其表示方法是IP地址 + 端口号。
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这样，同一个IP可以有多个不同的TCP连接（IP相同，端口号不一致），同一个端口号也可以出现在多个TCP连接当中。

TCP首部

TCP的首部前20字节是固定的，后面有4n个字节是可选的。也就是说，TCP的首部最短是20字节。
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  • 源端口和目的端口：略。哥占2个字节（一个字节8位）。
  • 序号：在TCP传送的每一个字节流中的字节都按顺序编号，占4个字节，范围为[0 - (2^32)-1]。上一篇中的连续ARQ协议中，窗口数据的序号就是这样编的。
  • 确认号：即期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节序号。即若发送方收到确认号 =N的确认号，则表明N-1之前的数据都已经正常被对方接收，接下来发送N-1之后的报文。一般的，当***被重复使用的时候，可以认为旧的报文段早已经通过网络到达终点了。
  • 数据偏移：即TCP报文的数据起始处距离TCP报文起始处的距离（也就是TCP首部的长度）。数据偏移的长度是以4字节为单位的，因此数据偏移的最大能表示的十进制数是15，也就是说TCP首部最大长度为60字节。
  • 紧急URG：当URG为1的时候，表示此报文有紧急数据，需要优先传送。于是发送方就把紧急数据插入到本报文段数据的最前面。需要与紧急指针配合使用。
  • 确认ACK：当且仅当ACK =1的时候确认有效，ACK = 0时无效。TCP规定，连接建立后，TCP的所有ack确认报文都应该置为1.
  • PUSH位：略
  • 复位RST：当RST = 1的时候，表示这TCP连接过程出现错误，需要重置连接。
  • 同步SYN：在建立连接时用来同步序号。当SYN = 1，且ACK = 0的时候，表明这是一个请求连接的报文。若对方同意连接，则回复响应保卫SYN=1，ACK = 1. 总之，SYN=1，表明这是一个请求连接或者接受连接的报文。
  • 终止FIN：当FIN = 1的时候，表明要求释放连接。
  • 窗口：表明现在允许对方发送的数据量，窗口值在时刻动态变化。

其他字段略过。

TCP的连接管理

TCP是面向连接的协议，而TCP运输连接的建立都需要建立和释放连接。对于TCP连接而言，运输过程需要下面三个过程：建立连接，数据传送，释放连接。TCP连接采用C/S模式，发起连接建立的客户端称为客户，而被动等待连接的称为服务器。

三次握手

TCP建立连接的过程称为握手。建立连接的过程需要客户端与服务端之间交换三次TCP报文段（这就是所谓的三次握手）。
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初始状态，双方都处于关闭状态。现在模拟A向B发送TCP连接请求的过程：

  1. A主动打开连接，B被动打开连接。（此时B处于Listen，监听状态）
  2. A打算与B 建立TCP连接，于是向B发出请求连接报文段。根据刚刚学习的首部，这个时候SYN = 1,Seq = x。此报文不携带任何数据，但消耗一个序号。同时为TCP连接分配缓存空间和变量
  3. B收到后，若同意连接，于是向A 发送连接确认。此时SYN = 1 ,ACK = 1,seq=y，ack = x + 1. 注意，这里的ACK是TCP首部字段的确认ACK，而ack是确认号，也就是下次要发送的序号。此报文不携带任何数据，但消耗一个序号。同时为TCP连接分配缓存空间和变量
  4. A收到B的确认后，还要给B 发送对B确认的确认。此时ACK = 1，ack = y+1.seq = Y+1.此时连接建立。可以正常传输数据。不带数据可以不消耗一个序号

以上步骤除去1，就是TCP三次握手的过程。
考虑这样一种情况，如果A发送给B的请求连接的报文超过一段时间都还没有收到B的确认（即走到步骤2这一步走不下去了），根据我们之前的停止等待协议，我们就认为这个报文丢失了，这里应该再次给B发送连接请求。这是AB建立正常的TCP连接，然后传输数据，释放连接。倘若此时，A的请求连接不是丢失，而是迟到了，当A的请求到达B的时候,AB早已完成通信，此时，B会认为A再次请求连接，并且B给A发送了确认。但是A此时并没有请求通信，如果此时A不在向B发送确认的确认（也就是不要第4步），这样服务器只能苦苦等待A的请求，白白浪费服务器资源。

四次握手

TCP连接的释放需要进行4次的握手。这里有个概念，TCP是全双工通信，可以看成一条TCP连接上有两条数据通路。
通信结束后通信双方都可以结束通信。这里模拟一下A主动结束通信的过程。
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  1. 通信结束，A主动向B发送连接释放报文。并停止发送信息，主动关闭TCP连接（由于全双工通信，对方仍可以给A发送信息）。此时 FIN = 1,seq = u，其中u的值是等于之前发过的数据最后一个字节的序号 + 1.TCP规定，FIN报文要消耗掉一个序号。
  2. 服务器收到A发来的关闭连接的报文，于是向A发出确认。此时确认号ack = u+1，报文段自己的序号seq = v（这个值等于服务器之前传送过的最后一个数值序号+1）。然后B进入 close -Wait状态（半关闭状态）。此时客户端到服务器这个方向的连接关闭了。（但是服务器到客户端的仍未关闭，服务器还是可以向客户端发送数据）。
  3. 若此时B已经没有要向A发送的数据了，此时，B发出释放连接报文。置FIN = 1.（此步骤跟1相似，不赘述）。
  4. 客户端收到B发来的释放连接时，还必须发出确认。具体参数的值见图。此时服务器进入TIME-WAIT状态。这个状态表明连接还没完全释放，必须等候一段时间，这个时间为时间等待计时器2MSL。A才进入关闭连接状态。

关于序号的分析，个人感觉还是自己分析一遍。填写一遍才会印象深刻。

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