TCP协议

转自车小胖专栏

TCP报文可以说是最常见的报文之一，但TCP具体的工作原理了解的人却不多，在这里展开来说一说这个TCP协议，了解比较深或者想要完整了解这个协议的朋友可以直接去查阅 RFC793

，本文只是尽量写一些TCP比较重要的功能及实现，远远达不到全面、准确这两点。

简介

TCP = TRANSMISSION CONTROL PROTOCOL，即传输控制协议。

在网络中，TCP协议处于第四层，在物理层（线缆，光纤，无线信道等），数据链路层（交换层面segment），网络层（IP）这三个层面之上的一层协议。也就是说，在我们讨论TCP协议的时候，意味着我们的前提是IP可达，ping包可通的情况下。

那为什么要设计TCP协议呢？因为实际需求就在那里，好吧我来翻译这句话。

首先我们知道，需要给两台设备设计的通信有很多很多，比方说你要上传/下载文件，发送QQ消息，发送邮件等等，如果把这些协议都设计成三层，那么IP协议将会十分复杂且低效。所以我们新增了四层端口号这个概念，将网络拓展到了四层。这时候两种声音出现了，一种声音是可靠传输，但会损失一些性能；另一种声音是不需要可靠传输，要的是更低的延迟，更精简的包头。因为有这两种不同的需求，所以TCP和UDP两种协议便被设计并规范出来。可以说TCP是为了满足多样，可靠的传输而出现的产物。

包头

当我们谈及网络协议时，最简单的方法就是看它的包头，如果能深刻的理解包头每个字节的作用，那么你也就真正的理解了这种网络协议。不多说，上图。

前文已经说过，TCP协议设计出来的主要目的是为了满足多样、可靠这两种需求。图中的前三行，4个字段，共12个字节很好的解释了这一点。

Source Port & Destination Port: 16 bits*2

源端口和目的端口各占16 bits，也就是说我们可以拥有2^16 = 65536个端口号，也就是说我们可以开放这6万多个端口给一台设备提供不同的服务。

Sequence Number & Acknowledgment Number: 32 bits*2

这两个字段各自占据了TCP包头4个字节的位置，其重要性可想而知，而且TCP的可靠传输主要是靠这两个字节来实现，具体它们是如何实现在工作这一小节去具体描述。再往下看。

Data Offset: 4 bits

因为TCP包头中有部分可选字段，所以我们需要一个指针来指示数据的开始的地方，Data Offset字段完成的就是这顶功能。有细心的同学会发现，它的最大值为2^4 = 16，而图中的TCP包头已经有24个字节了，这里要特殊说明的是，这里的1是代表1行，也就是4个字节的内容，我们可以表示的范围是（0 ~ 15）*4 = 0 ~ 60字节，而TCP最少占有20个字节，这就意味着我们最多有40个字节的可选字段可以使用。

Reserved: 6 bits

这是保留字段，不用时设为0。或许当我们需要实现新的功能时，这6个bit可以提供相应的标识。目前后三个bit已经有用作标识， NS 、 CWR 、 ECE ，有兴趣的同学可以自己去看看相关RFC的规定。

Control Bits: 6 bits

URG: Urgent Pointer field significant

确认是否有紧急指针，即第五行后面的Urgent Pointer字段。

ACK: Acknowledgment field significant

确认是否为ACK信息，除了初始的SYN包外，这个字段都应标为1。

PSH: Push Function

确认是否将数据推给上层协议，如果是1则推送，如果是0则先缓存下来。

RST: Reset the connection

确认是否重置连接，如果出现重大差错，会将该字段置为1。

SYN: Synchronize sequence numbers

确认是否为同步序列号，只有从端发出的第一个包才会将该该置为1.

FIN: No more data from sender

确认是否中断。如果发送方将信息发送完毕则将该字段置为1。

Window: 16 bits

表示从确认号开始，本报文的源方可以接收的字节数，即源方接收窗口大小。这是个很有意思的机制，有机会再展开讨论一下。

Checksum: 16 bits

对整个的TCP报文段，包括TCP头部和TCP数据，以16位字进行计算所得。该字段主要确认在信道传输过程中，内容无差错。

Urgent Pointer: 16 bits

用作指针，指到紧急数据的结束位。主要用途是传输一些紧急数据，这里不展开说了。

Options & Padding

扩展字段，前文已经计算过，最长为40个字节，这里也不展开说了。

Data

数据，前面那么多包头的信息，传输的就是这数据，研究协议的时候，我们把他看作成一个整体就好，不用关心我们到底利用这个协议传输了什么内容。至于MTU长度，分片等内容也很重要，有时间再写吧。

工作原理

因为不能把所有的IP协议都当作TCP协议来使用，所以我们规定，当检测到IP协议中PROTOCOL字段为6时，我们将IP字段后的协议视为TCP协议。也就是说，我们讨论的前提又加了一项，TCP协议被调用。

TCP的功能有很多很多，在这里选择介绍两项关注比较多的内容，连接建立/断开和流量控制。如果一起讨论其它功能，可以在评论区留言说明。

连接建立/断开

一个正常的TCP连接从建立到分开，要完成三次握手四次挥手。先是建立，见图。

1. 客户端向服务器申请建立TCP连接，向服务器端发送一个SYN报文，作为第一次握手。客户端把这段连接的SYN设定为随机数A。
2. 服务器端收到SYN报文后，会给客户端发送一个报文。报文中ACK的确认码为A+1，同时发送另一个SYN为随机序号B。
3. 此时，客户端收到ACK为A+1的报文，将之与发送的SYN包进行比对，如果满足+1的关系，则在客户端判断连接已建立。并给服务器发送确认数据包，SYN为A+1，表明已收到上一报文，ACK为B+1，通知服务器进入连接状态。

至此，TCP连接建立完毕，可以正常传输数据了。再是连接终结，即四次挥手，还是看图。终结连接操作可由双方任意一方发起。本文以客户端发起为例。

1. 客户端向服务器端发送一个FIN报文，作为第一次挥手。通知服务器，我已经没有数据还要发送。但不确认服务器是否扔有数据返回，所以连接仍是建立状态。
2. 服务器收到FIN报文，返回一个ACK报文，告诉客户端，我知道你已经没有东西要发送了，但我还要再确认一下我是不是还有东西要给你。
3. 服务器判断自己也没有报文需要发送给客户端，发送FIN消息，告诉客户端，好了，这下我也没有东西要给你了，你可以终结连接了。此时服务器不确认客户端是否收到信息，继续保持连接。
4. 客户机收到ACK和FIN消息后，得知服务器已经知道自己要终结，并且无更新内容，便给服务器发送一个ACK说我知道了，你也终结吧，客户机便终结连接。服务器在收到最后一条ACK后，也终结连接。

至此，四次挥手操作完成，连接终结。

拥塞控制

要注意的是，拥塞控制和流量控制不是一回事，今天要说的是拥塞控制，流量控制有机会再聊。拥塞控制是TCP协议设计中一个很棒的特性，这个特性让TCP协议在网络传输中合理的利用带宽，使速度最大化。TCP中的拥塞控制用到以下几种技术，慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复技术。

慢启动技术。如果连接建立好，一上来就给对端发大量的报文，可能无法到达，并造成网络链路的拥塞。慢启动技术是开始会发很小的报文给对端，收到对端的ACK判断可达后，会加倍报文量发送同时等待，如果收到对端的ACK则继续加倍，如果等待超时且没有收到ACK则意味着报文过大，超过链路负荷，开始发送原有报文+1大小的报文，如此反复。以达到最大利用带宽。

可以说，慢启动是拥塞控制技术的核心。但如果在传输中遇到了链路不稳定，TCP则会让传输速度降至谷底，将窗口设为1，继续慢启动。这样，一个小小的干扰就让速度损失这么多，并且浪费了带宽，IT人肯定是不同意的，所以就有了后面几种机制。这么多的技术，其目的只有一个，尽可能大的利用带宽！抓住这一点再对后面的技术产生和原理进行理解，将事半功倍。这里就不再展开继续说明了。

总之，这次写了不少东西，也挖了不少坑，具体要不要填，填哪些坑，希望和朋友们一起探讨，欢迎大家留言。

最后，贴一下TCP完整的逻辑判断及状态机流程图，如果能看懂这张图以及上面的报文图。可以说你已经对TCP有了一个较深的理解了。