TCP协议

null TCP 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 TCP协议 传输控制协议 TCP 传输控制协议 TCP TCP协议提供了面向连接、可靠的字节流服务。 1)TCP可以提供应用进程之间面向连接、全双工、点到点的可靠传输服务　。 2)TCP是面向字节流的协议 1、TCP字节流传输过程1、TCP字节流传输过程端口…发送 TCP 报文段TCP …TCP 接收缓存发送缓存报文段…报文段报文段端口发送端接收端向发送缓存 写入数据块从接收缓存 读取数据块应用进程应用进程2、TCP报文格式2、TCP报文格式 TCP报文分为头部和数据区两个部分，头部的20个字节是固定的，后面有4*N字节的选项（N为整数）、因此TCP报文头部的最小长度是20字节。如下图所示 ：nullTCP 首部20 字节的 固定首部目 的 端 口数据 偏移检 验 和选 项 （长 度 可 变）源 端 口序 号紧 急 指 针窗 口确 认 号保 留F I N32 bitS Y NR S TP S HA C KU R G比特 0 8 16 24 31填 充TCP 数据部分TCP 首部TCP 报文段IP 数据部分IP 首部发送在前nullTCP 首部20 字节 固定 首部目 的 端 口数据 偏移检 验 和选 项 （长 度 可 变）源 端 口序 号紧 急 指 针窗 口确 认 号保 留F I NS Y NR S TP S HA C KU R G比特 0 8 16 24 31填 充源端口和目的端口字段——各占 2 字节。端口是传输层与应用层的服务接口。传输层的复用和分用功能都要通过端口才能实现。 nullTCP 首部20 字节 固定 首部目 的 端 口数据 偏移检 验 和选 项 （长 度 可 变）源 端 口序 号紧 急 指 针窗 口确 认 号保 留F I NS Y NR S TP S HA C KU R G比特 0 8 16 24 31填 充序号字段——占 4 字节。TCP 连接中传送的数据流中的每一个字节都编上一个序号。序号字段的值则指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。 nullTCP 首部20 字节 固定 首部目 的 端 口数据 偏移检 验 和选 项 （长 度 可 变）源 端 口序 号紧 急 指 针窗 口确 认 号保 留F I NS Y NR S TP S HA C KU R G比特 0 8 16 24 31填 充确认号字段——占 4 字节，是期望收到对方的下一个报文段的数据的第一个字节的序号。 nullTCP 首部20 字节 固定 首部目 的 端 口数据 偏移检 验 和选 项 （长 度 可 变）源 端 口序 号紧 急 指 针窗 口确 认 号保 留F I NS Y NR S TP S HA C KU R G比特 0 8 16 24 31填 充数据偏移——占 4 bit，它指出 TCP 报文段的数据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远。“数据偏移”的单位不是字节而是 32 bit 字（4 字节为计算单位）。 nullTCP 首部20 字节 固定 首部目 的 端 口数据 偏移检 验 和选 项 （长 度 可 变）源 端 口序 号紧 急 指 针窗 口确 认 号保 留F I NS Y NR S TP S HA C KU R G比特 0 8 16 24 31填 充保留字段——占 6 bit，保留为今后使用，但目前应置为 0。 nullTCP 首部20 字节 固定 首部目 的 端 口数据 偏移检 验 和选 项 （长 度 可 变）源 端 口序 号紧 急 指 针窗 口确 认 号保 留F I NS Y NR S TP S HA C KU R G比特 0 8 16 24 31填 充紧急比特 URG —— 当 URG  1 时，表明紧急指针字段有效。它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传送(相当于高优先级的数据)。 nullTCP 首部20 字节 固定 首部目 的 端 口数据 偏移检 验 和选 项 （长 度 可 变）源 端 口序 号紧 急 指 针窗 口确 认 号保 留F I NS Y NR S TP S HA C KU R G比特 0 8 16 24 31填 充确认比特 ACK —— 只有当 ACK  1 时确认号字段才有效。当 ACK  0 时，确认号无效。 nullTCP 首部20 字节 固定 首部目 的 端 口数据 偏移检 验 和选 项 （长 度 可 变）源 端 口序 号紧 急 指 针窗 口确 认 号保 留F I NS Y NR S TP S HA C KU R G比特 0 8 16 24 31填 充推送比特 PSH (Push) —— 接收 TCP 收到推送比特置 1 的报文段，就尽快地交付给接收应用进程，而不再等到整个缓存都填满了后再向上交付。 nullTCP 首部20 字节 固定 首部目 的 端 口数据 偏移检 验 和选 项 （长 度 可 变）源 端 口序 号紧 急 指 针窗 口确 认 号保 留F I NS Y NR S TP S HA C KU R G比特 0 8 16 24 31填 充复位比特 RST (ReSet) —— 当 RST  1 时，表明 TCP 连接中出现严重差错（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立传输连接。 nullTCP 首部20 字节 固定 首部目 的 端 口数据 偏移检 验 和选 项 （长 度 可 变）源 端 口序 号紧 急 指 针窗 口确 认 号保 留F I NS Y NR S TP S HA C KU R G比特 0 8 16 24 31填 充同步比特 SYN —— 同步比特 SYN 置为 1，就表示这是一个连接请求或连接接受报文。 nullTCP 首部20 字节 固定 首部目 的 端 口数据 偏移检 验 和选 项 （长 度 可 变）源 端 口序 号紧 急 指 针窗 口确 认 号保 留F I NS Y NR S TP S HA C KU R G比特 0 8 16 24 31填 充终止比特 FIN (Final) —— 用来释放一个连接。当FIN  1 时，表明此报文段的发送端的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。 窗口字段 —— 占 2 字节。窗口字段用来控制对方发送的数据量，单位为字节。TCP 连接的一端根据设置的缓存空间大小确定自己的接收窗口大小，然后通知对方以确定对方的发送窗口的上限。TCP 首部20 字节 固定 首部目 的 端 口数据 偏移检 验 和选 项 （长 度 可 变）源 端 口序 号紧 急 指 针窗 口确 认 号保 留F I NS Y NR S TP S HA C KU R G比特 0 8 16 24 31填 充窗口字段 —— 占 2 字节。窗口字段用来控制对方发送的数据量，单位为字节。TCP 连接的一端根据设置的缓存空间大小确定自己的接收窗口大小，然后通知对方以确定对方的发送窗口的上限。nullTCP 首部20 字节 固定 首部目 的 端 口数据 偏移检 验 和选 项 （长 度 可 变）源 端 口序 号紧 急 指 针窗 口确 认 号保 留F I NS Y NR S TP S HA C KU R G比特 0 8 16 24 31填 充检验和 —— 占 2 字节。检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。在计算检验和时，要在 TCP 报文段的前面加上 12 字节的伪首部。nullTCP 首部20 字节 固定 首部目 的 端 口数据 偏移检 验 和选 项 （长 度 可 变）源 端 口序 号紧 急 指 针窗 口确 认 号保 留F I NS Y NR S TP S HA C KU R G比特 0 8 16 24 31填 充紧急指针字段 —— 占 16 bit。紧急指针指出在本报文段中的紧急数据的最后一个字节的序号。 nullTCP 首部20 字节 固定 首部目 的 端 口数据 偏移检 验 和选 项 （长 度 可 变）源 端 口序 号紧 急 指 针窗 口确 认 号保 留F I NS Y NR S TP S HA C KU R G比特 0 8 16 24 31填 充选项字段 —— 长度可变。TCP最常用的选项字段是MSS(Maximum Segment Size)，即最大报文段长度 MSS 告诉对方 TCP：“我的缓存所能接收的报文段的数据字段的最大长度是 MSS 个字节。” 。nullTCP 首部20 字节 固定 首部目 的 端 口数据 偏移检 验 和选 项 （长 度 可 变）源 端 口序 号紧 急 指 针窗 口确 认 号保 留F I NS Y NR S TP S HA C KU R G比特 0 8 16 24 31填 充填充字段 —— 这是为了使整个首部长度是 4 字节的整数倍。 3、TCP 的传输连接建立与释放3、TCP 的传输连接建立与释放传输连接就有三个阶段，即：连接建立、数据传送和连接释放。传输连接的管理就是使传输连接的建立和释放都能正常地进行。 连接建立过程中要解决以下三个问题： 要使每一方能够确知对方的存在。 要允许双方协商一些参数（如最大报文段长度，最大窗口大小，服务质量等）。 能够对传输实体资源（如缓存大小，连接表中的项目等）进行分配。 TCP连接的建立过程TCP连接的建立过程 要使用TCP协议进行通信，在传输数据之前，要先建立一条TCP连接。 TCP连接的建立过程和打电话的过程类似。 TCP连接的建立是一个分为三个步骤的过程，称为“三次握手过程”。null图1-3 TCP连接建立的三次握手过程null 示意图1-3描述了这样一个“三次握手过程”，该图中主机A要发起一个和主机B之间的TCP连接。 图1-3 TCP连接建立的三次握手过程null第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包(syn=j)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认； 第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态； 第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。 完成三次握手，客户端与服务器开始传送数据， null上述过程中，还有一些重要的概念： 未连接队列：在三次握手协议中，服务器维护一个未连接队列，该队列为每个客户端的SYN包（syn=j）开设一个条目，该条目表明服务器已收到SYN包，并向客户发出确认，正在等待客户的确认包。这些条目所标识的连接在服务器处于Syn_RECV状态，当服务器收到客户的确认包时，删除该条目，服务器进入ESTABLISHED状态。 Backlog参数：表示未连接队列的最大容纳数目。 SYN-ACK 重传次数 :服务器发送完SYN－ACK包，如果未收到客户确认包，服务器进行首次重传，等待一段时间仍未收到客户确认包，进行第二次重传，如果重传次数超过系统规定的最大重传次数，系统将该连接信息从半连接队列中删除。注意，每次重传等待的时间不一定相同。 半连接存活时间：是指半连接队列的条目存活的最长时间，也即服务从收到SYN包到确认这个报文无效的最长时间，该时间值是所有重传请求包的最长等待时间总和。有时我们也称半连接存活时间为Timeout时间、SYN_RECV存活时间。 null1.2.1.2 TCP连接的终止 当主机A向主机B发送完全部数据之后，就要发起终止连接的操作了。由于TCP连接的数据传输是全双工数据传输，因此，任何一方都可以自己停止发送，但是仍然可以接收另一台主机发来的数据，直到它也停止发送。整个连接关闭的过程如图1-4所示。 接上面的例子，假定主机A主机B发送了299个报文段，则主机B向主机A发送的最后一个数据段确认报文的序号是599，确认号应该是400（300）。 null图1-4 TCP连接关闭过程 TCP连接的释放过程 null图1-4 TCP连接关闭过程 null 主机A没有数据要发送了，就要发送一个FIN 数据流结束报文段，其中控制标志位中的FIN位置1，表示发送方数据流结束；ACK标志位置1，确认序号位600，序号是400。报文段可以表示为“FIN，SEQ=400，ACK=600”。 主机B收到该FIN报文，要发送一个确认报文段，ACK置1，SEQ = 600，ACK = 401，报文段表示为“ACK=401”。 主机B也没有数据要发送了，就发送自己的FIN报文段，SEQ = 600，ACK = 401，报文段表示为“FIN，SEQ=601，ACK=401”。 主机A确认该FIN报文段，SEQ = 401，ACK = 601。 TCP通过下列方式来提供其可靠性 TCP通过下列方式来提供其可靠性 应用数据被分割成最适合发送的数据块,和UDP不同,数据报长度将保持不便,由TCP传递给IP 的信息单位称为报文段或段(segment). 当TCP发出一个段后，它启动一个定时器,等待目的端确认收到这个报文段,如果收不到确认, 将重发此报文. 当TCP受到发自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,通常延迟 几分之一秒. TCP将保持它的首部和校验和.这是一个端到端的校验和,目的是检验数据在传输过程中的任何 变化,如果收到段的校验和有误,TCP丢弃这个报文段,并不确认它(希望发送端超时并重发). TCP报文段被封装在IP数据报内,IP数据报可能失序,因此TCP报文的到达也可能失序,如果有必 要,TCP将对接到的数据重新排序,将收到的数据以正确的顺序交给应用层. IP的数据报会发生重复,TCP接收端必须丢弃重复数据. TCP能提供流量控制.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 送它的缓冲区能接纳的数据.这个特性可以防止快速主机使较慢主机的缓冲区溢出. null1.2.3 几个特殊问题 在TCP的连接和建立过程中，会遇到几种特殊的情况，这些情况在理论上都是成立的，虽然在实际情况中极少遇到，但是也要有所了解。 1．半关闭 TCP提供通信的双方中一方停止了自己的输出，但接收对方传来的数据的机制，称为半关闭。 null图1-7 TCP半关闭 null 图1-7是半关闭的图示，假设主机A和B之间的TCP连接已经建立起来了，A已经发送完了所有的数据，然后通知B：“我已经没有任何数据需要发送，现在，我要停止向你发送数据，不过我仍然可以接受你的数据，并发送确认。” 当主机B向A发送关闭连接的FIN报文并且经A确认之后，半连接将被关闭。 null2．同时打开连接 当两台主机同时向对方发送建立连接的SYN报文段且报文段都到达时，称为同时打开连接。图1-8解释了同时打开连接的情形。 这种情形应该这样理解：主机A使用端口号3000发起同主机B的4000端口的连接，而同时，主机B也在使用4000端口发起同主机A的3000端口的连接。这种情况下，TCP专门制定了解决方法，在主机A和B之间只建立一条连接。通常建立连接只需要遵循“三次握手”原则，而当同时打开连接时，要传输四个数据段，而不是通常的三个。 null图1-8 TCP同时建立连接 null3．同时关闭连接 同时关闭连接是关闭连接的一种特殊情况，即两台主机同时主动关闭连接。TCP在处理这种情形时，除了关闭指令在时间上几乎同时发出之外，没有任何与正常关闭连接的不同之处。图1-9解释了同时关闭连接的情形。同时关闭连接和同时正常连接一样，都需要四个报文段。 null图1-9 TCP同时关闭连接 7.1 客户服务器方式 7.1 客户服务器方式 TCP 的连接和建立都是采用客户服务器方式。 主动发起连接建立的应用进程叫做客户。 被动等待连接建立的应用进程叫做服务器。 7.2 用三次握手建立 TCP 连接 7.2 用三次握手建立 TCP 连接 主机 B被动打开主动打开确认确认主机 A连接请求7.3 建立 TCP 连接7.3 建立 TCP 连接A 的 TCP 向 B 发出连接请求报文段，其首部中的同步比特 SYN 应置为 1，并选择序号 x，表明传送数据时的第一个数据字节的序号是 x。 B 的 TCP 收到连接请求报文段后，如同意，则发回确认。 B 在确认报文段中应将 SYN 置为 1，其确认号应为 x  1，同时也为自己选择序号 y。 A 收到此报文段后，向 B 给出确认，其确认号应为 y  1。 A 的 TCP 通知上层应用进程，连接已经建立。 当运行服务器进程的主机 B 的 TCP 收到主机 A 的确认后，也通知其上层应用进程，连接已经建立。 TCP 连接释放的过程 TCP 连接释放的过程 应用进程 释放连接 A 不再发送报文主机 B主机 A确认确认从 A 到 B 的连接就释放了，连接处于半关闭状态。 相当于 A 向 B 说： “我已经没有数据要发送了。 但你如果还发送数据，我仍接收。” 至此，整个连接已经全部释放。7.5 TCP 的正常的连接建立和关闭 7.5 TCP 的正常的连接建立和关闭 SYN, SEQ = x客户进程服务器进程LISTEN（被动打开）(主动打开) SYN_SENTSYN_RCVDESTABLISHEDESTABLISHED(主动关闭) FIN_WAIT_1CLOSE_WAIT ( 被动关闭)FIN_WAIT_2LAST_ACKTIME_WAITCLOSED（全双工数据传送阶段）SYN, ACK, SEQ = y, ACK = x + 1ACK, SEQ = x + 1, ACK = y + 1FIN, SEQ = uACK, SEQ = v, ACK = u + 1FIN, ACK, SEQ = v, ACK = u + 1ACK, SEQ = u + 1, ACK = v + 1TIME_WAITCLOSE_WAITSYN_RCVDESTABLISHED7.4.3 TCP 的数据编号与确认 7.4.3 TCP 的数据编号与确认 TCP 协议是面向字节的。TCP 将所要传送的报文看成是字节组成的数据流，并使每一个字节对应于一个序号。 在连接建立时，双方要商定初始序号。TCP 每次发送的报文段的首部中的序号字段数值表示该报文段中的数据部分的第一个字节的序号。 TCP 的确认是对接收到的数据的最高序号表示确认。接收端返回的确认号是已收到的数据的最高序号加 1。因此确认号表示接收端期望下次收到的数据中的第一个数据字节的序号。 5.1 TCP 的流量控制与拥塞控制5.1 TCP 的流量控制与拥塞控制TCP 采用大小可变的滑动窗口进行流量控制。窗口大小的单位是字节。 在 TCP 报文段首部的窗口字段写入的数值就是当前给对方设置的发送窗口数值的上限。 发送窗口在连接建立时由双方商定。但在通信的过程中，接收端可根据自己的资源情况，随时动态地调整对方的发送窗口上限值(可增大或减小)。 null收到确认即可前移1002003004005006007008009001012013014015016017018011可发送不可发送发送端要发送 900 字节长的数据，划分为 9 个 100 字节长的报文段，而发送窗口确定为 500 字节。 发送端只要收到了对方的确认，发送窗口就可前移。 发送 TCP 要维护一个指针。每发送一个报文段，指针就向前移动一个报文段的距离。null收到确认即可前移1002003004005006007008009001012013014015016017018011不可发送1002003004005006007008009001012013014015016017018011发送窗口可发送不可发送发送窗口前移发送端已发送了 400 字节的数据，但只收到对前 200 字节数据的确认，同时窗口大小不变。 现在发送端还可发送 300 字节。 null1002003004005006007008009001012013014015016017018011已发送 并被确认已发送但 未被确认可发送不可发送指针1002003004005006007008009001012013014015016017018011不可 发送指针发送窗口前移发送端收到了对方对前 400 字节数据的确认，但对方通知发送端必须把窗口减小到 400 字节。 现在发送端最多还可发送 400 字节的数据。 利用可变窗口大小进行流量控制 双方确定的窗口值是 400 利用可变窗口大小进行流量控制 双方确定的窗口值是 400 主机 A主机 B允许 A 再发送 300 字节（序号 201 至 500）A 还能发送 200 字节A 还能发送 200 字节（序号 301 至 500）A 还能发送 300 字节A 还能发送 100 字节（序号 401 至 500）A 超时重发，但不能发送序号 500 以后的数据允许 A 再发送 200 字节（序号 501 至 700）A 还能发送 100 字节（序号 501 至 700）不允许 A 再发送（到序号 600 的数据都已收到）5）TCP的传输控制*5）TCP的传输控制TCP传输控制 TCP差错控制 TCP拥塞控制 TCP定时管理TCP传输控制*TCP传输控制传输策略 滑动窗口机制 根据接收缓冲区和来自应用的数据确定策略 传输控制的实现 特殊情况及处理办法 发送/接收策略TCP传输控制的实现*TCP传输控制的实现确认号 ACK源端口 1028序列号 SEQ宿端口 21窗口 WIN...头部...发送方接收方缓冲区4k2k应用层2k write应用层Read 2k2k2k1kSEQ=0WIN=2048ACK=2048WIN=0ACK=4096SEQ=4096SEQ=2048发送受阻应用层3k write0 4KACK=4096WIN=20482k2k1k特殊情况及处理办法*特殊情况及处理办法滑动窗口WIN=0 传输1 byte/次问题 发送1 byte/次：Nagle算法 接收1 byte/次：Clark解决方法滑动窗口WIN=0*滑动窗口WIN=0一般策略 发送方阻塞，停止发送分节 特殊情况 发送紧急数据（urgent data），立即中断远程的用户进程 发送一个字节的分节，声明希望接收的下一个字节以及窗口大小IP报头TCP报头一个字节的分节 总长41Byte发送1byte／次*发送1byte／次用户端编辑器发送１个字符TCP头TCP头IP头IP头TelnetCIP头TCP头IP头TCP头C接收 确认ack 更新窗口win 返回处理结果处理一个字符需要传送4次数据段，占用162字节带宽接收1byte／次*接收1byte／次发送1Byte发送1ByteWin=0Win=0Win=1Win=1互补方法*互补方法发送方 尽量不发送数据含量小的分节 缓存应用层的数据，达到一定量再发送 接收方 不请求对方发送短分节 延迟窗口变更信息，使接收缓冲区足够大差错重传*差错重传发送方接收方SEQ=1SEQ=2SEQ=3ACK=4segment  segment  segment segment  segment  segment  segment  segment 超时 SEQ=5SEQ=4SEQ=5SEQ=6SEQ=7ACK=8#4、#6、#7#5排序提交缓存TCP拥塞控制*TCP拥塞控制拥塞原因 加载到网络的负载大于其自身的能力 解决办法 降低发送方的数据传输速率旧的分组离开新的分组进入网络产生拥塞的两种情况*产生拥塞的两种情况接收方的处理能力不足 接收容器小 网络不够通畅 传输管道细接收方的处理能力不足*接收方的处理能力不足传输网络小容量接收器调整传输速率接收能力发送方网络不够畅通*传输网络 内部拥塞大容量接收器调整传输速率网络不够畅通网络能力发送方拥塞的解决办法*拥塞的解决办法发送方保持两个窗口 接收窗口（由WIN说明） 拥塞窗口 取两者的最小值为发送的字节数 拥塞控制算法 TCP定时管理*TCP定时管理重发定时器（发送每个数据段同时启动） 超时前收到确认，关闭计时器 超时未收到确认，重发该数据段 持续定时器（用于解决死锁） 保活定时器（用于检测连接长时间闲置） TIMED WAIT 定时器 2倍分组TTL，确保连接端开后分组消失回顾：用户数据报协议 UDP 回顾：用户数据报协议 UDP UDP提供无连接的不可靠的数据报服务。 主要特点： 　　1)UDP是无连接的传输层协议 　　　　发送数据之前不需要建立连接 2)UDP是一个不可靠的传输层协议 　　他没有流量控制，也不使用窗口机制和差错控制机制。容易出现溢出和数据报丢失。 优点：传输速度快 缺点：数据不可靠，易丢失和溢出UDP用户数据报格式 UDP用户数据报格式 伪首部源端口目的端口长 度检验和数 据首 部UDP长度源 IP 地址目的 IP 地址017IP 数据报字节44112122222字节发送在前数 据首 部UDP 用户数据报null伪首部源端口目的端口长 度检验和数 据首 部UDP长度源 IP 地址目的 IP 地址017IP 数据报字节44112122222字节发送在前数 据首 部UDP 用户数据报用户数据报 UDP 有两个字段：数据字段和首部字段。首部字段有 8 个字节，由 4 个字段组成，每个字段都是两个字节。 null伪首部源端口目的端口长 度检验和数 据首 部UDP长度源 IP 地址目的 IP 地址017IP 数据报字节44112122222字节发送在前数 据首 部UDP 用户数据报在计算检验和时，临时把“伪首部”和 UDP 用户数据报连接在一起。伪首部仅仅是为了计算检验和。