深入浅出TCP协议

TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)的最终目的是为数据提供可靠的端到端的传输。它能够处理数据的顺序并恢复错误，并且最终保证数据能够到达目的地。

一、TCP协议的报头

1、源端口(Source Port)：16bit(2Byte)，范围：0~65535。

2、目的端口(Direction Port)：16bit(2Byte)，范围：0~65535。

源端口号和目的端口号都是上层应用程序的进程号。服务端提供的服务监听的端口号一般是在(1~1024)，比如：http的Web服务(80)，https的Web服务(443)，SMTP简单邮件传输服务(25)，FTP文件传输协议(21)。客户端访问服务器的客户端软件一般使用(1025~65535)的随机临时端口号。

3、序号(Sequence Number)：32bit(4Byte)，范围：0~4,294,967,295。一次TCP通信(从TCP连接的建立到断开)过程中某一个传输方向上的字节流的每个字节的第一个编号。例如，一段报文的序号字段值是 1 ，而携带的数据共有100字段，显然下一个报文段（如果还有的话）的数据序号应该从101开始。

4、确认号(Acknowledge Number)：32bit(4Byte)，范围：0~4,294,967,295。对收到的报文进行确认，是期望收到对方下一个报文的第一个数据字节的序号。例如，B收到了A发送过来的报文，其序列号字段是501，而数据长度是200字节，这表明B正确的收到了A发送的到序号700为止的数据。因此，B期望收到A的下一个数据序号是701，于是B在发送给A的确认报文段中把确认号置为701。

5、数据偏移(Header Length)：4bit，范围：0~15，表示TCP头部的长度。数据偏移的单位为4字节[其实每个1代表4字节，例如，首部长度如果是20字节，那么这里就是0101(即：5)]。由于4位二进制数能表示的最大十进制数是15，因此数据偏移的最大值是60字节(固定首部20字节 + 选项40字节)。

6、保留(Reserved)：6bit，保留为今后使用，目前都置为0。

7、标志位(Control bit)：6bit，控制位。

• URG(URGent)：1bit，紧急，URG=1，表示紧急指针字段有效。（表示发送方插队处理）
• ACK(ACKnowlegement)：1bit，确认位，仅当ACK=1，确认号字段才有效。当ACK=0时，确认号无效。TCP规定，在连接建立后，所有传输的报文段都必须把ACK置为1。
• PSH(PuSH)：1bit，推送，当两个应用进程进行交互通信时，有一段的应用进程希望在键入一个命令后立即就能收到对方的响应。（表示接收方插队处理）
• RST(ReSeT)：1bit，复位，当RST=1时，表明TCP连接中出现严重差错。例如，由于主机崩溃或其他原因，必须释放连接，然后再重新建立连接。
• SYN(SYNchronization)：1bit，同步。在连接建立时用来同步序号。当SYN=1，ACK=0时，表明这是一个连接请求报文段，对方若同意建立连接，则应在响应报文段中使SYN=1，ACK=1。因此，SYN置为1就表示这是一个连接请求或连接接受报文。
• FIN(FINish)：1bit，终止。用来释放一个连接。当FIN=1时，表示此报文段的发送方的数据已经发送完毕。并要求释放传输连接。

8、窗口(Window)：16bit(2Byte)，范围：0~65535。TCP协议有流量控制功能，窗口值用来告诉对方。

9、校验和(Checksum)：16bit(2Byte)，校验和。检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。

10、紧急指针(Urgent)：16bit(2Byte)，紧急指针。紧急指针仅在URG=1时才有意义，它指出本报文段中的紧急数据的字节数(紧急数据结束后就是普通数据)。

11、选项(Options)：长度可变，最长可达40Byte。当没有使用选项时，TCP的头部长度是20Byte。

• 种类(Kind)：每一个选项的头一节点为“种类”，指明了该选项的类型
• 长度(Length)：需要记住的是TCP头部的长度应该是32比特的倍数，因为TCP头部长度字段是以此为单位的
• 信息(info)：是选项的具体信息

 

kind=0：选项表结束选项。

kind=1：空操作(nop)选项。没有特殊含义，一般用于将TCP选项的总长度填充为4字节的整数倍

kind=2，length=4：最大报文长度选项(MSS，Max Segement Size)。TCP连接初始化时，通信双方使用该选项来协商最大报文段长度。TCP模块通常将MSS设置为(MTU-40)字节(减去的40字节包括20字节的TCP头部固定字段和IP头部固定字段)，从而避免本机发生IP分片，对以太网而言，MSS值是1460

kind=3，length=3：窗口扩大因子选项。TCP连接初始化时，通信双方使用该选项来协商接收通告窗口的扩大因子。在TCP头部中，接收通告窗口大小时使用16bit表示的，故最大为65535字节，但实际上TCP模块允许的接收通告窗口大小远不止这个数(为了提高TCP通信的吞吐量)。窗口扩大因子解决了这个问题。

kind=5，length=2：SACK实际工作的选项。该选项的参数告诉发送方本端已经收到并缓存的不连续的数据块，从而让发送端可以据此检查并重发丢失的数据块。

kind=8，length=10：时间戳选项。该选项提供了较为准确的计算通信双方之间的回路时间(Round Trip Time，RTT)的方法，从而为TCP流量控制提供重要信息。

 

二、TCP连接的建立——三次握手

在握手之前，主动打开连接的客户端结束Close阶段，被动打开的服务器也结束CLOSE阶段，并进入Listen阶段。随后进入三次握手阶段：

1、首先客户端向服务器发送一个SYN包，并等待服务器确认

• 标志位为SYN，表示请求建立连接
• 序号为Seq = x（x一般为1）
• 随后客户端进入SYN-SENT状态

2、服务器接收到客户端发来的SYN包后，对该包进行确认后结束Listen阶段，并返回一段TCP报文

• 标志位为SYN和ACK，表示确认客户端的报文Seq序号有效，服务器能正常接收到客户端发送的数据，并同意创建新连接
• 序号为Seq = y
• 确认号为Ack = x + 1，表示收到客户端的序号Seq并将其值加1作为自己的确认号Ack的值
• 随后服务器进入SYN-RECV状态

3、客户端接收到服务器发送的SYN + ACK包后，明确了从客户端到服务器的数据传输是正常的，从而结束SYN-SENT状态。并返回最后一段报文

• 标志位为ACK，表示确认收到服务器同意连接的信号
• 序号为Seq = x + 1，表示收到服务器的确认号Ack，并将其值作为自己的序号值
• 确认号为Ack = y + 1，表示收到服务器的序号Seq，并将其值加1作为自己的确认号Ack的值
• 随后客户端进入ESTABLISHED状态

当服务器收到来自客户端确认收到服务器数据的报文后，得知从服务器到客户端的数据传输正常的，从而结束SYN-RECV状态，进入ESTABLISHED状态，从而完成3次握手

 

三、TCP连接的拆除——四次挥手

这里假设客户端主动释放连接。在挥手之前主动释放连接的客户端结束ESTABLISHED状态，随后开始四次挥手阶段：

1、首先客户端向服务器发送一段TCP报文表明其想释放TCP连接

• 标记位为FIN，表示请求释放连接
• 序号为Seq = u
• 随后客户端进入FIN-WAIT-1阶段，即半关闭阶段，并且停止向服务器发送通信数据

2、服务器接收到客户端请求断开连接的FIN报文后，结束ESTABLISHED状态，进入CLOSE-WAIT状态并返回一段TCP报文

• 标记位为ACK，表示接收到客户端释放连接的请求
• 序号为Seq = v
• 确认号为Ack = u + 1，表示是在收到客户端报文的基础上，将其序号值加1作为本段报文确认号Ack的值
• 随后服务器开始准备释放服务器到客户端方向的连接

客户端收到服务器发送过来的TCP报文后，确认服务器已经收到了客户端连接释放的请求，随后客户端进入FIN-WAIT-2状态

3、服务器在发出ACK确认报文后，服务器会将遗留的带穿数据发送个客户端，待传输完成后即进入CLOSE-WAIT状态，便做好了释放服务器到客户端的连接准备，再次向客户端发出一段TCP报文

• 标记为FIN和ACK，表示已经准备好释放连接了
• 序号为Seq = w
• 确认号为Ack = u + 1，表示在收到客户端报文的基础上，将其序号Seq的值加1作为本段报文确认号Ack的值

随后服务器结束CLOSE-WAIT状态，进入LAST-ACK状态，并且停止向客户端发送数据。

4、客户端收到从服务器发来的TCP报文，确认了服务器已经做好释放连接的准备，于是进入TIME-WAIT状态，并向服务器发送一段TCP报文

• 标记位为ACK，表示接收到服务器准备号释放连接的信号
• 序号为Seq = u + 1，表示是在己经收到服务器报文的基础上，将其确认号Ack值作为本段报文序号的值
• 确认号为Ack = w + 1，表示是已经在收到服务器报文的基础上，将其序号Seq的值加1作为本段报文确认号Ack的值

随后客户端开始在TIME-WAIT状态等待2 MSL，服务器收到从客户端发出的TCP报文之后进入CLOSED状态，由于正式确认关闭服务器到客户端方向上的连接，客户端等待完 2 MSL之后，进入CLOSED状态，由此完成四次挥手

 

四、TCP如何保证可靠传输

发送确认机制

TCP报文头中有两个字段：

• [Sequence Number]序列号：表示发送数据的起始号
• [Acknowledgment Number]确认号：表示消息已经接收，返回下次要发送的起始号

发送确认

TCP每次发送数据，都有一个确认应答ACK，表示已经收到了数据包。确认号表示下一个传送的起始号

 发送一个http请求，使用Wireshark抓取数据包，打开 统计 -> 流量图，在弹出的页面上将Flow Type修改成 TCP Flows，就能看到TCP的数据包请求

上图中标记的三个地方，中间的标记的“发送确认”，就表示数据发送和应答，len表示字节长度。发送1~218的字节，确认应答返回了确认号219，第二个发送确认也是类似原理，有所不同的是这个发送确认时接收端的发送确认。

重传机制

发送端的数据包，一般都发送到接收端。但是在网络不好，或者信号比较差的情况下，可能就无法正常发送到数据。

先介绍两个概念：[RTT] 和 [RTO]

[RTT] Round-Trip Time表示往返时间，表示网络一端到另一端所需要的时间，也就是数据包往返时间，以TCP握手为例：

 RTT表示数据包从发送到收到确认应答的时间。

[RTO]Retransmission Timeout表示超时重传时间。超过这个时间没有确认应答，就会重传报文段，这个时间根据RTT来设置的。

重传机制是 TCP 基本的错误恢复功能，常见的重传机制有两种：

• 超时重传
• 快速重传

超时重传

超时重传就是超过规定的时间没有收到确认消息，就会再次发送一个消息请求。TCP发送方发送报文时，会设置一个定时器，如果在时间范围内没有收到接收方发来的ACK确认报文，发送方就会重传已经发送的报文段

TCP有两种超时重传的情况：

• 报文在发送途中丢失
• 确认包在途中丢失

上面的 RTO 表示超时重传时间，RTO 的设定不能过大的或者过小：

• 如果过大，请求等待的时间过长，请求的效率低。
• 如果过小，正常返回的确认还未来得及返回，就重传。加大网络负荷。

设置一个适当的RTO才会让重传机制更加高效。超时时间RTO应该略大于往返时间RTT

如果超时重传的报文段又超时了该怎么办呢？，答案就是「重传的超时时间加倍」，也就是再次超时重传的超时时间会增加到之前的两倍。

如果超时重传的报文段又丢包呢？此时发送方会以 RTO 时间的 2、4、8倍的倍数尝试多次重传。

快速重传

快速重传不会等待超时时间到了再重传，发送方收到3次重复确认报文，就不会等超时时间重试，而是直接重传报文。

连续发送的报文段，中间只要有一个丢失，后续返回的确认号都是相同的，后面的报文段无论有没有返回，都会重传一遍，这种设置还是比较合理的。在一段时间内，如果网络状况不好，导致丢包情况，后续的报文段一般也会丢包。

但是重传丢包后面所有的包，也会造成网络传输的浪费。对于上面的例子，如果只想传输Seq2，其他有返回的确认包就不用重传。

TCP有一种重传机制：SACK Selective Acknowledgment选择性重传

这种方式需要 TCP 报文段选项加一个 SACK 字段，使用查看 Wireshake SYN 包中 SACK Permitted:

发送包有返回确认应答，就会发送给发送方告知对应的数据被接收了，发送方就能记录哪些数据被接收了，哪些数据没有被接收。后面只会重传没有被接收到的数据包，这就是选择性重传。

滑动窗口

TCP发送比较大的数据包，TCP会一次性发送大的数据包给接收方？答案是不会的，需要考虑网络带宽，TCP会将大的数据包拆分成多个大小适中的数据包，发送一个http请求，添加较大的参数，使用Wireshark抓取数据包

 数据包被拆分成5个小的数据包。

数据包被拆分成多个小的数据包之后，数据包发送都有返回一个确认序列号，每次发送一个新的包，都等待上一个包的ACK回来之后才能发送，这个一来一回的效率很低：

TCP为了解决这个问题，引入 窗口 的概念，在窗口范围内的数据包，无需等待上一次ACK确认，可以直接发送数据包：

滑动窗口是 TCP 协议中的一种流量控制机制，用来控制发送方和接收方数据传输的速率，避免数据过多造成数据无法及时处理。

窗口的大小也就是 TCP 报文段的 windos 字段，表示的就是接收方目前能接收的缓冲区的剩余大小，发送端根据这个字段处理发送的数据。

发送端的窗口

发送窗口根据三个标准来划分：是否发送、是否收到ACK，是否在接收方处理范围内，分成了四个部分：

四个部分组成：

• 第一部分是已经发送并收到ACK确认的数据，这部分数据已经发送成功了，无需在缓存中保留了
• 第二部分数据是已经发送但是未收到ACK确认的数据
• 第三部分数据是未发送，但是在接收处理范围之内的数据。第二、第三部分共同组成发送的窗口
• 第四部分是需要发送，但是未在接收范围之内的数据，这部分数据在没有接收ACK确认之前，是不会发送数据的

如果发送方一直没有收到ACK，数据不断的发送，很快可用窗口也被耗尽，这时发送方也不会继续发送数据了，这时发送端可用窗口为零的情况我们称为“零窗口”

 随着ACK的确认，窗口也会依次向右滑动，比如发送端的窗口中，比如40~43字节都受到了ACK确认，那么整个可用的窗口就会顺次往右移动。此时53~57的数据也都能发送了。

接收端的滑动窗口相对发送端的窗口要简单的多，主要分为三个部分

• 已经接收并确认的数据
• 可以接收但是未接收的数据
• 在接收范围之外(不够缓存的数据)，也就是不可以接收的数据

但数据接收后，窗口也向右边滑动，给发送端的数据提供数据缓存。如果读取缓存的数据速度有变化时，接收端可能也会改变接收窗口的大小，以此来控制发送端的发送速度，这就是滑动窗口进行流量控制的一种机制。

拥塞控制

网络中由于有大量的包传输，在固定带宽下处理不过来数据包的传输，可能会导致数据包阻塞，网络传输的速度下降，甚至会下降到 0 的情况。这就有点类似排队买东西，如果正常排队，速度虽然不快但处理速度比较稳定。但是如果一下涌来很多人，就会处理不过来，导致「堵死情况」。

而 TCP 被设置成一个无私的协议，当遇到网络拥塞时，TCP 会减少自己发送数据包，这样网络拥塞会得到很大的缓解。

为了实现拥塞控制，首先在发送端定义一个拥塞窗口 CWND (congestion window),「限制发送端发送数据最多没有收到 ACK 确认包的大小，超过拥塞窗口范围后，就不会继续发送数据了」。

拥塞窗口会随着网络情况的变化动态的调用自身的大小，大体的变化规则是：如果没有出现拥塞，就扩大窗口大小，否则就缩小窗口的大小

拥塞控制算法主要包含四个部分：

• 慢启动
• 拥塞避免
• 拥塞发生
• 快速恢复

慢启动

当一个新的TCP连接开始时，无法确定是否用拥塞发生，一开始不会发送大量的包，而是从最小的发送窗口开始，后续会采用倍增的方式增加窗口的大小，窗口大小从 1 开始，后续慢慢增大到 2、4、8 等。

指数增加速度会越来越快，窗口扩大的一定的程度，就会减慢增加的速度，改成线性增加，这时候就进入拥塞避免阶段。

拥塞避免

慢启动和拥塞避免的临界点叫做 慢启动门限(sshthresh,slow start threshold)

cwnd < ssthresh时，使用慢启动算法

cwnd >= ssthresh时，就会使用拥塞避免算法

ssthresh大小一般是65535字节。拥塞避免的规则：每当收到一个ACK时，cwnd + 1 / cwnd。就变成线性增长了。

拥塞发生

拥塞避免将原来的指数增长改成线性增长，虽然增长速度减慢，但CWND窗口还是在增长阶段。随着窗口进一步缓慢增加，网络还是会遇到阻塞的状态，会出现丢包的情况。就需要对丢包进行重传。

重传机制有两种：

• 超时重传
• 快速重传

当发生超时重传时，sshthresh和cwnd的值会发生如下变化：

1. sshthresh 变成 cwnd 的一半
2. cwnd重置为1

cwnd重置为1，表示直接进入慢启动状态。

上面的超时重传速度变化太快，而快速重传是一个相对温和的方案。如果我们连续 3 次收到同样序号的 ACK，包还能回传，说明这个时候可能只是碰到了部分丢包，网络阻塞还没有很严重，无需重置 cwnd。

此时sshthresh和cwnd变化如下：

1. cwnd = cwnd / 2，也就是设置为原来的一半
2. sshthresh = cwnd

并进入到快速恢复阶段

快速恢复

快速恢复主要是将 cwnd 恢复到正常大小，上面说的 cwnd 设置成原来的一半，ssthresh 设置成 cwnd 的大小。

快速恢复算法如下：

1. 重传丢失的数据包
2. 如果接收到重复ACK确认，cwnd增加1
3. 如果接收到新数据的 ACK 确认，就将 ssthresh 恢复到慢启动时期的值，因为返回新数据的 ACK 确认，表示网络阻塞已经结束，可以恢复到之前的状态，cwnd 也可以指数或者线性增加。