网络基础——TCP协议
TCP简介与报文格式
TCP简介
TCP协议（传输控制协议）提供的是面向连接的可靠性传输，为了实现可靠性，TCP协议需要考虑很多事情，比如数据的破坏、丢包、重复以及分片顺序混乱等问题。TCP通过检验和、序列号、确认应答、重发控制、连接管理以及窗口控制等机制实现可靠性传输。
TCP报文头部格式
- 源端口号：发送端端口号
- 目标端端口号：接收端端口号
- 序列号：发送数据的位置，每发送一次数据，就累加一次该数据字节数的大小，序列号不会从0或1开始，而是建立连接时由计算机生成的随机数作为初始值，通过SYN包发送给接收端主机，此外，建立连接和断开连接虽然不传输数据，但也会作为一个字节增加对应的序列号。
- 确认应答号：下一次应该接收到的数据的序列号，实际上，是指已经收到确认应答号减一为止的数据（我理解为数据大小为确认应答号减一）。
- 数据偏移：TCP所传输的数据部分应该为TCP包的哪个位置开始计算，也可以将其看作TCP包的长度，单位为4字节
- 保留：为了以后扩展用。
- 控制位：字段长8位，每一位从左到右分别是CWR、ECE、URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN
- CWR（Congestion Window Reduced）：与后面的ECE都是用于IP首部的ECN字段，为1时通知对方已将拥塞窗口缩小
- ECE（ECN-Echo）：置为1时通知通信对方，从对方到这边的网络有拥堵
- URG（Urgent Flag）：该位为1时，表示包中有需要紧急处理的数据
- ACK（Acknowledgement Flag）：该位为1时，确认应答的字段变为有效
- PSH（Push Flag）：该位为1时，表示需要将收到的数据立即传给上层应用协议，为0时则表示先不上传而是缓存起来
- RST（Reset Flag）：该位为1时，表示TCP连接中出现异常必须强制断开连接
- SYN（Synchronize Flag）：该位为1时，表示希望建立连接，并在序列号字段进行序列号初始值的设定
- FIN（Fin Flag）：该位为1时，表示今后不会再有数据发送，希望断开连接
- 窗口大小：用于通知从相同 TCP 首部的确认应答号所指位置开始能够接收的数据大小
- 校验和：TCP和UDP一样，在计算校验和时使用伪首部，主要用于检查路由器内存故障或程序漏洞导致的数据破坏
- 紧急指针：只有在 URG 控制位为1时有效，该字段数值表示本报文段中紧急数据的指针
- 选项：用于提高 TCP 的传输性能
- 填充：选项长度不足32位整数倍时将其补齐到32位整数倍
三次握手与可靠传输
TCP的三次握手
在TCP中，当发送端的数据到达接收主机时，接收端主机会返回一个已收到消息的通知，这个消息叫做确认应答（ACK）
一开始，客户端和服务端都处于 CLOSED 状态。先是服务端主动监听某个端口，处于 LISTEN 状态。然后客户端主动发起连接 SYN，之后处于 SYN-SENT 状态。服务端收到发起的连接，返回 SYN，并且 ACK 客户端的 SYN，之后处于 SYN-RCVD 状态。客户端收到服务端发送的 SYN 和 ACK 之后，发送 ACK 的 ACK，之后处于 ESTABLISHED 状态，因为它一发一收成功了。服务端收到 ACK 的 ACK 之后，处于 ESTABLISHED 状态，因为它也一发一收了。
如何实现可靠的传输
TCP通过肯定的确认应答（ACK）实现可靠的数据传输。当发送端将数据发出以后会等待对端的确认应答。如果确认应答，表示发送成功，反正失败，将进行重发。因此即使产生丢包，仍能保证数据能够到达对端，实现可靠传输。
接收端查询接收数据 TCP 首部中的序列号和数据长度，将自己下一步应该接收的序列号作为确认应答发送回去，就这样，通过序列号和确认应答号，TCP 就可以实现可靠传输：
流量控制和拥塞控制
TCP数据传输单位
在建立TCP连接的同时，也可以确定发送数据包的单位，我们可以将其称为最大消息长度MSS，两端主机在发出建立连接请求时，会在TCP头部写入MSS选项，告诉对方自己的接口能使用的MSS的大小，然后选择比较小的值投入使用。
TCP以段为单位，每发送一个段进行一次确认应答的处理，这样的传输有一个显著的缺点，就是包往返的时间越长，通信性能就越低。
利用窗口控制提高速度
为了解决上述问题，TCP引入了窗口的概念。窗口的大小就是指无需等待确认应答而可以继续发送的最大值，这个机制实现了使用大量缓冲区（临时保存收发数据的场所）通过对多个段同时进行确认应答的功能，缩短发送时间。
窗口内的数据即使没有收到确认应答也可以立即发送出去（在得到应答前，需要在缓冲区保存这部分发送的数据，以便重发数据）
流量控制
让发送端根据接收端的实际接收能力控制发送的数据量，这就是所谓的流量控制。
接收端主机向发送端主机通知自己可以接收数据的大小，发送端发送不超过这个限制的数据，该大小限制被称作窗口大小。
拥塞控制
为了发送端调节所要发送数据的量，定义了一个叫做拥塞窗口的概念，于是在慢启动的时候，将这个拥塞窗口的大小设置为1个数据段（1MSS）发送数据，之后每收到一个确认应答（ACK），就将拥塞窗口的值加1，在发送数据包时，将拥塞窗口的大小与接收端主机通知的窗口大小做比较，然后按照它们当中较小的那个值，发送比它还要小的数据量。
