浅谈通信协议之 TCP与TCP/IP

浅谈通信协议之 TCP与TCP/IP

通信模型

起源

由于计算机网络的飞速发展，各大产商根据自己的协议生产不同的硬件和原件，为了保证各种网络技术能够和谐共存和良好的配合，国际标准化组织（ISO）于1984年建立一套抽象的分层结构ISO/OSI（国际标准化组织的开放网络架构）。

七层参考模型

 

 

 

1. 物理层
   物理层主要是在物理层面解决基础的传送通道，建立，维护和释放物理链路所需要的机械的、电气/光学的、功能的和规程的特性，如光缆的抗衰耗，无线设备的发射功率如何提高等物理设施问题。

2. 数据链路层
   数据链路层提供简单的通信链路，通信实体所在的系统必须经过物理介质直接相连（如光缆，电缆，微波等）。将物理层提供的比特流组成“帧”，即将发送方发送的若干“位”的数据组成一组，加上“开始”“结束”标志和检错相关代码，形成具有固定格式的数据帧
   本层要提供一定的差错检验和纠正机制，以防信号在传输过程中因机械和电气以及外界干扰情况下出现错误。因此数据帧在发送时会有相应信息存放在纠错字节中，当到达目的地之后，会对自身进行计算，计算结果和纠错字节中的内容进行比对，如果一致，进行下一步操作，不一致则纠错字节可以将结果检测出来，并要求重传。

3. 网络层
   网络层主要提供网络服务，一种是面向连接的有轨网络服务，一种是无连接的无轨网络服务。
   网络层肩负着如下四大任务：

   • 路由选择:发现路由，选择路径，有时也负责地址转换，管理来来往往的数据包。
   • 拥塞控制:采用拥塞控制机制，尽量避免拥塞的发生，或者在发生拥塞时，通过多种途径缓解拥塞状况（比如丢弃一些数据，或者进行缓存）。
   • 局域网互联:如统计哪些用户需要的网络流量比较多，访问哪些站点比较频繁，或者禁止或控制用户访问某些站点；记账功能一般也在网络层解决。
   • 统计和控制：如统计哪些用户需要的网络流量比较多，访问哪些站点比较频繁，或者禁止或控制用户访问某些站点；记账功能一般也在网络层解决。
     （IP协议就是网络层协议)

4. 传输层
   传输层的任务是向用户提供可靠的、透明的端到端的数据传输，以及差错控制和流量控制机制。使得底层的网络硬件对高层不可见，即会话层、表示层、应用层的设计不用考虑底层细节。起到承上启下的作用。
   传输层通过逻辑接口向高层提供服务。服务的类型是在连接建立时确定的，此时提供端到端的、可靠的、面向连接的字节流服务。
   （TCP和UDP就属于传输层协议）

5. 会话层
   会话层在不同的机器之间提供会话进程的通信，如建立、管理和拆除会话进程。同时也提供许多增值服务，如交互式对话，机器之间的同步控制等。

6. 表示层 表示层处理通信进程之间交换数据的表示方法，包括语法转换、数据格式的转换、加密与解密、压缩与解压缩等。

7. 应用层 应用层负责管理应用程序之间的通信

TCP与TCP/IP

OSI由于体系比较复杂，不太方便计算机软件是实现，于是TCP/IP技术应运而生。TCP/IP同样采用分层结构，在TCP/IP去除了OSI的表示层和会话层。

 

还有一种五层的说法，将网络接口层分为物理层和数据链路层两层，这样有利于数据通信的分析。TCP/IP体系结构中最核心的部分是上面的三层：应用层、传输层和互联网层（也称网络层），互联网层以下的层次没有制定相关标准 TCP/IP是一个协议组，其中包含有TCP、IP，还包括HTTP、TELNET、FTP、RIP、OSPF、BGP、UDP、ARP、pop3等众多协议。

各层主要功能：

1. 网络接口层也称为数据链路层，TCP/IP并没有严格定义该层，它只是要求能够提供给其上层——网络层一个访问接口，以便在其上传递IP分组。由于这一层次未被定义，所以其具体的实现方法将随着网络类型的不同而不同。以太网是IP通信中数据链路层最常见的形式，除此之外还有PPP、HDLC等。10Gbit/s以下的以太网一般应用于局域网，而PPP、HDLC则应用于广域网范围内居多。

2. 网络接口层也称为数据链路层，TCP/IP并没有严格定义该层，它只是要求能够提供给其上层——网络层一个访问接口，以便在其上传递IP分组。由于这一层次未被定义，所以其具体的实现方法将随着网络类型的不同而不同。以太网是IP通信中数据链路层最常见的形式，除此之外还有PPP、HDLC等。10Gbit/s以下的以太网一般应用于局域网，而PPP、HDLC则应用于广域网范围内居多。

3. 传输层：传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）和用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）是该层的重要协议。TCP是一个面向连接的、可靠的协议。它将一台主机发出的字节流无差错地发往互联网上的其他主机。在发送端，它负责把上层传送下来的字节流分成报文段并传递给下层。在接收端，它负责把收到的报文进行重组后递交给上层。TCP还要处理端到端的流量控制。UDP是一个不可靠的、无连接协议，主要适用于不需要对报文进行排序和流量控制的场合

TCP报文

 

1. 源端口和目的端口字段——各占16bit。端口是传输层与应用层的服务接口

2. 序号字段——SEQ序号，占32bit。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。

3. 序号字段——SEQ序号，占32bit。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。

4. 标志位：共6个，即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等，具体含义如下。

   紧急比特 URG——当 URG=1 时，表明紧急指针（urgent pointer）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）。

   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。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。

   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，然后再重新建立运输连接。

   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。

   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
   需要注意的是：不要将确认序号ACK与标志位中的ACK搞混了；确认方ACK=发起方SEQ+1，两端配对。

5. 数据偏移——占4bit，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。

6. 窗口字段——占16bit。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

7. 检验和——占16bit。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。

8. 紧急指针字段——占16bit。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。

9. 选项字段——长度可变。TCP只规定了一种选项，即最大报文段长度MSS（Maximum Segment Size）。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

10. 保留字段——占6bit，保留为今后使用，但目前应置为0。

TCP的三次握手和四次挥手

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作客户（Client）。被动等待连接建立的应用进程叫作服务器（Server）

• 三次握手
  在TCP/IP中，采用三次握手建立一个连接，连接过程就像打电话的过程

 

第一次握手：Client（主机A）向Server（主机B）发送一个连接请求，在这个包中，标志位SYN=1，发送序号SEQ=x，上图中x=200，Client进入SYNSEND状态，等待Server确认。
第二次握手：Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，确认序号ACK=x+1=201，随机产生一个发送序号SEQ=y，上图中y=500，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYNRCVD状态。
第三次握手：Client收到确认后，检查确认序号ACK是否为x+1=201，标志位ACK是否为1，如果正确，则将标志位ACK置为1，确认序号ACK=y+1=501，并将该数据包发送给Server，Server检查确认序号ACK是否为y+1=501，标志位ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态。
完成三次握手，客户端与服务器开始传送数据。

• 四次挥手

四次挥手（Four-Way Wavehand）即终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开，

 

 第一次挥手：当客户A要断开TCP连接时，发送一个包，其中标志位fin=1，ACK=1，发送序号SEQ=x，确认序号ACK=y，上图中x=200，y=500。Client进入FINWAIT1状态。
第二次挥手：客户B知道A要断开后，发送一个确认包，其中标志位ACK=1发送序号，SEQ=y确认序号ACK=x+1=201，Server进入CLOSE_WAIT状态。
第三次挥手：客户B也断开TCP连接，此时发送一个包，其中，标志位fin=1，发送序号SEQ=y+1=501，Server进入LASTACK状态。
第四次挥手：客户A收到B的断开请求后，Client进入TIMEWAIT状态，接着发送一个确认包，标志位ACK=1，发送序号SEQ=x+1=201，确认序号ACK=y+2=502；Server进入CLOSED状态。