TCP协议
TCP协议
TCP（Transmission Control Protocol）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，由IETF的RFC 793 定义。 TCP旨在适应支持多网络应用的分层协议层次结构。 连接到不同但互连的计算机通信网络的主计算机中的成对进程之间依靠TCP提供可靠的通信服务。
图1：TCP协议格式
1. TCP协议格式
如图1所示为TCP协议格式。
- 源端口
表示发送端端口号，字段长16位
- 目的端口
表示接收端端口号，字段长16位
- 序列号
序列号是指发送数据的位置。每发送一次数据，就累加一次该数据字节数的大小，字段长32位
- 确认应答号
是指下一次应该收到的数据的序列号。实际上，它是指已收到确认应答号前一位为止的数据。发送端收到这个确认应答号以后可以认为在这个序号以前的数据都已经被正常接收，字段长32位
- 数据偏移
该字段表示TCP所传输的数据部分应该从TCP包的哪个位开始计算，当然也可以把它看做TCP首部的长度。该字段长4位，单位为4字节（32位）。不包括选项字段的话，如图1所示TCP首部为20字节长，因此数据偏移字段可以设置为5。反之，如果该字段的值是5，那说明从TCP包的最一开始到20字节为止都是TCP首部，余下的部分为TCP数据。
- 保留
该字段主要是为了以后扩展时使用，其长度为4位。一般设置为0，但即使受到的包在该字段不为0，此包也不会被丢弃
- 控制位
字段长为8位，每一位从左到右分别为CWR、ECE、URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN。这些控制标志也叫控制位。当它们对应的位上值为1时，则表达含义。
- CWR（Congestion Window Reduced）
CWR Flag与后面的ECE Flag都用于IP首部的ECN字段。ECE flag为1时，则通知对方已经将拥塞窗口缩小。
- ECE（ECN-Echo）
ECE flag表示ECN-Echo。值为1会通知通信对方，从对方到这边的网络有拥塞。在收到数据包的IP首部中ECN为1时，将TCP首部中的ECE设置为1
- URG（Urgent Flag）
该位为1时，表示包中有需要紧急处理的数据。对于需要紧急处理的数据，会在后面的紧急指针中再进行解释。
- ACK（Acknowledge Flag）
该位为1时，确认应答的字段变为有效。TCP规定除了最初建立连接时的SYN包之外该位必须设置为1
- PSH（Push Flag）
该位为1时，表示需要将收到的数据立刻传给上层应用协议。PSH为0时，则不需要立即传而是先进性缓存
- RST（Reset Flag）
该位为1时，则表示TCP连接中出现异常必须强制断开连接。例如一个没有被使用的端口即使发来连接请求，也无法进行通信。此时就可以返回一个RST设置为1的包。此外，程序宕掉或切断电源等原因导致主机重启的情况下，由于所有的连接信息将全部被初始化，所以原有的TCP通信也将不能继续进行。这种情况下，如果通信对方发送一个设置为1的RST包，就会使通信强制断开连接
- SYN（Synchronize Flag）
用于建立连接。SYN为1表示希望建立连接，并在其序列号的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。当通信结束希望断开连接时，通信双方的主机之间就可以相互交换FIN位置为1的TCP段。每个主机又对对方的FIN包进行确认应答以后就可以断开连接。不过主机收到FIN设置为1的TCP段以后不必马上回复一个FIN包，而是可以等到缓冲区中的所有数据都因已成功发送而被自动删除之后再发。
- 窗口大小（Window Size）
该字段长为16位。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（8位字节）。TCP不允许发送超过此处所示大小的数据。不过如果窗口为0，则表示可以发送窗口探测，以此了解最新的窗口大小。但这个数据必须是1字节。
- 校验和（Checksum）
TCP的校验和与UDP相似，区别在于TCP的校验和无法关闭。TCP和UDP一样在计算校验和的时候使用TCP伪首部。这个伪首部如图2所示。为了让其全长为16位的整数倍，需要在数据部分的最后填充0.首先将TCP校验和字段设置为0.然后以16位为单位进行1的补码和计算，再将它们总和的1的补码和放入校验和字段。
接收端在收到TCP数据后，从IP首部获得IP地址信息构造TCP伪首部，再进行校验和计算。由于校验和字段里保存着除本字段以外其他部分的和的补码值，因此如果计算校验和字段在内的所有数据的16位和以后，得出的结果是“16位全部为1”说明所收到的数据是正确的。使用校验和的目的是什么？有噪声干扰的通信途中如果出现位错误，可以由数据链路的FCS检查出来。为什么TCP或UDP中也需要校验和呢？其实相比检查噪声影响导致的错误，TCP或UDP的校验和更是一种进行路由器内存故障或程序漏洞导致的数据是否被破坏的检查。路由器的程序中可能会存在漏洞，或程序异常宕掉的可能。在互联网中发送数据包要经由好多个路由器，一旦在发送途中的某一个路由器发生故障，经过此路由器的包、协议首部或数据既有可能被破坏。TCP或UDP能够提供校验和计算，可以判断协议首部或数据是否被破坏。
图2：用于校验和计算的TCP伪首部
- 紧急指针（Urgent Pointer）
该字段长为16位。只有在URG控制位为1时有效。该字段的数据表示本报文段中紧急数据的指针。正确来讲，从数据部分的首位到紧急指针所指示的位置为止为紧急数据。因此也可以说紧急指针指出了紧急数据的末尾在报文段中的位置。如何处理紧急数据属于应用问题。一般在暂停时中断通信，或中断通信的情况下使用。例如在Web浏览器中点击停止按钮，或者使用TELNET输入Ctrl +C时都会有URG为1的包。此外紧急指针也用做表示数据流分段的标志。
- 选项（Options）
选项字段用于提高TCP的传输性能。因为根据数据偏移（首部长度）进行控制，所以其长度最大为40字节。另外选项字段尽量调整其为32位的整数倍。具有代表性的选项如表1所示
表1：具有代表性的TCP选项
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类型
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长度
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意义
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RFC
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|
0
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-
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End of Option List
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RFC793
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1
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-
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No-Operation
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RFC793
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2
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4
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Maximum Segment Size
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RFC793
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|
3
|
3
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WSOPT-Window Scale
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RFC1323
|
|
4
|
2
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SACK Permitted
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RFC2018
|
|
5
|
N
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SACK
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RFC2018
|
|
8
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10
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TSOPT-Time Stamp Option
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RFC1323
|
|
27
|
8
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Quick-Start Response
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RFC4782
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|
28
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4
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User Timeout Option
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RFC5482
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|
29
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-
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TCP Authentication Option(TCP-AO)
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RFC5925
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253
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N
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RFC3692-style Experiment 1
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RFC4727
|
|
254
|
N
|
RFC3692-style Experiment 2
|
RFC4727
|
类型2的MSS选项用于在建立连接时觉得最大段长度的情况。这个选项用于大部分操作系统。
类型3的窗口扩大，是一个用来改善TCP吞吐量的选项。TCP首部中窗口字段只有16位。因此在TCP包的往返时间（RTT）内，只能发送最大64K字节的数据，如果采用了该选项，窗口的最大值可以扩展到1G字节。由此，即使在一个RTT较长的网络环境中，也能达到较高的吞吐量。
类型8时间戳字段选项，用于高速通信中对序列号的关联。若要将几个G的数据高速转发到网络时，32位序列号的值可能会迅速使用完。在传输不稳定的网络环境下，就有可能会在较晚的时间点却收到散布在网络中的一个较早序列号的包，而如果接收端对新老序列号产生混淆就无法实现可靠传输。为了避免这个问题的发生，引入了时间戳这个选项，它可以区分新老序列号。
类型4和5用于选择确认应答（SACK：Selective ACKnowledgement）。TCP的确认应答一般只有1个数字，如果数据段总以“豁牙子状态”到达的话会严重影响网络性能。有了这个选项，就可以允许最大4次的“豁牙子状态”确认应答。因此在避免无用重发的同时，还能提高重发的速度，从而也能提高网络的吞吐量。
注：窗口大小与吞吐量
TCP通信的最大吞吐量由窗口大小和往返时间决定。加入最大吞吐量为$T_{max}$，窗口大小为$W$，往返时间是RTT的话，那么最大吞吐量的公式如下：
$T_{max} = \frac{W}{RTT}$
假设窗口为65535字节，RTT为0.1秒，那么最大吞吐量$T_{max}$如下：
$T_{max} = \frac{65535Bytes}{0.1s} = \frac{65535*8 bit}{0.1s}\approx 5.2(Mbps)$
以上公式表示1个TCP连接所能传输的最大吞吐量为5.2Mbps。如果建立两个以上连接同时进行传输时，这个公式的计算结果则表示每个连接的最大吞吐量。也就是说，在TCP中，与其使用一个连接传输数据，使用多个连接传输数据会达到更高的网络吞吐量。在web浏览器中一般会通过同时建立4个左右连接来提高吞吐量。
