TCP協(xié)議原理詳解

1. TCP報(bào)文封裝

一個(gè)典型的使用TCP協(xié)議封裝的數(shù)據(jù)包，包括以太網(wǎng)MAC頭+網(wǎng)絡(luò)層IP數(shù)據(jù)頭+傳輸層TCP頭+要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。 詳見(jiàn)下圖所示：

2. TCP報(bào)文結(jié)構(gòu)

TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）提供的是面向連接，可靠的字節(jié)流服務(wù)。 即客戶和服務(wù)器交換數(shù)據(jù)前，必須現(xiàn)在雙方之間建立一個(gè)TCP連接，之后才能傳輸數(shù)據(jù)。 并且提供超時(shí)重發(fā)，丟棄重復(fù)數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，流量控制等功能，保證數(shù)據(jù)能從一端傳到另一端。

TCP報(bào)文結(jié)構(gòu)如下圖示：

TCP報(bào)文結(jié)構(gòu)各字段功能如下示：

源端口號(hào)：表示發(fā)送端端口號(hào)，字段長(zhǎng)16bit

目標(biāo)端口：表示接收端端口號(hào)，字段長(zhǎng)16bit

序號(hào)：字段長(zhǎng)32bit，是指發(fā)送數(shù)據(jù)的位置。 每發(fā)送一次數(shù)據(jù)，就累加一次該數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)的大小

確認(rèn)序號(hào)：字段長(zhǎng)32bit，是指下一次應(yīng)該收到的數(shù)據(jù)的序列號(hào)。 實(shí)際上，它是指已收到確認(rèn)應(yīng)答號(hào)減一為止的數(shù)據(jù)。 發(fā)送端收到這個(gè)確認(rèn)應(yīng)答以后可以認(rèn)為在這個(gè)序號(hào)以前的數(shù)據(jù)都已經(jīng)被正常接收

首部長(zhǎng)度：字段長(zhǎng)4bit，它指出了 TCP 報(bào)文段首部長(zhǎng)度，以字節(jié)為單位，最大能記錄15*4=60字節(jié)的首部長(zhǎng)度

保留：字段長(zhǎng)6bit，主要是為了以后擴(kuò)展時(shí)使用。 一般設(shè)置為0

標(biāo)志字段：字段長(zhǎng)6bit，這些控制標(biāo)志也叫做控制位

• URG：表示本報(bào)文段中發(fā)送的數(shù)據(jù)是否包含緊急數(shù)據(jù)。 URG=1，表示有緊急數(shù)據(jù)。 后面的緊急指針字段只有當(dāng)URG=1時(shí)才有效
• ACK：表示是否前面的確認(rèn)號(hào)字段是否有效。 ACK=1，表示有效。 只有當(dāng)ACK=1時(shí)，前面的確認(rèn)號(hào)字段才有效。 TCP規(guī)定，連接建立后，ACK必須為1
• PSH：告訴對(duì)方收到該報(bào)文段后是否應(yīng)該立即把數(shù)據(jù)推送給上層。 如果為1，則表示對(duì)方應(yīng)當(dāng)立即把數(shù)據(jù)提交給上層，而不是緩存起來(lái)
• RST：只有當(dāng)RST=1時(shí)才有用。 如果你收到一個(gè)RST=1的報(bào)文，說(shuō)明你與主機(jī)的連接出現(xiàn)了嚴(yán)重錯(cuò)誤（如主機(jī)崩潰），必須釋放連接，然后再重新建立連接。 或者說(shuō)明你上次發(fā)送給主機(jī)的數(shù)據(jù)有問(wèn)題，主機(jī)拒絕響應(yīng)
• SYN：在建立連接時(shí)使用，用來(lái)同步序號(hào)。當(dāng)SYN=1，ACK=0時(shí)，表示這是一個(gè)請(qǐng)求建立連接的報(bào)文段；當(dāng)SYN=1，ACK=1時(shí)，表示對(duì)方同意建立連接。SYN=1，說(shuō)明這是一個(gè)請(qǐng)求建立連接或同意建立連接的報(bào)文。只有在前兩次握手中SYN才置為1
• FIN：標(biāo)記數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢。如果FIN=1，就相當(dāng)于告訴對(duì)方：“我的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢，你可以釋放連接了”

窗口大小：字段長(zhǎng)16bit，TCP的流量控制由連接的每一端通過(guò)聲明的窗口大小來(lái)提供，窗口大小為字節(jié)數(shù)，起始于確認(rèn)序號(hào)字段指明的值，這個(gè)值是接收端正期望接收的數(shù)據(jù)序號(hào)，發(fā)送方根據(jù)窗口大小調(diào)整發(fā)送數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)流量控制。 窗口最大為 65535 字節(jié)，當(dāng)接收方告訴發(fā)送方一個(gè)大小為 0 的窗口時(shí)，將完全阻止發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送

校驗(yàn)和：檢驗(yàn)和覆蓋了整個(gè)的 TCP 報(bào)文段（TCP 首部和 TCP 數(shù)據(jù)區(qū)域），由發(fā)送端計(jì)算和填寫(xiě)，并由接收端進(jìn)行驗(yàn)證

緊急字段：只有當(dāng)URG標(biāo)志置1時(shí)緊急指針才有效，緊急指針是一個(gè)正的偏移量，和序號(hào)字段中的值相加表示緊急數(shù)據(jù)最后一個(gè)字節(jié)的序號(hào)。 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，本TCP報(bào)文段的緊急數(shù)據(jù)在報(bào)文段數(shù)據(jù)區(qū)域中，從序號(hào)字段開(kāi)始，偏移緊急指針的值結(jié)束

選項(xiàng)字段：選項(xiàng)字段用于提高TCP的傳輸性能。 其最大長(zhǎng)度可根據(jù)TCP首部長(zhǎng)度進(jìn)行推算。 TCP首部長(zhǎng)度用4位表示，那么選項(xiàng)部分最長(zhǎng)為：(2^4-1)*4-20=40字節(jié)

• kind=2，最大報(bào)文段長(zhǎng)度(MSS)選項(xiàng)：MSS選項(xiàng)用于在建立連接時(shí)決定最大段長(zhǎng)度的情況，該選項(xiàng)用于大部分操作系統(tǒng)。TCP連接初始化時(shí)，通信雙方使用該選項(xiàng)來(lái)協(xié)商最大報(bào)文段長(zhǎng)度。TCP模塊通常將MSS設(shè)置為（MTU-40）字節(jié)（減掉的這40字節(jié)包括20字節(jié)的TCP頭部和20字節(jié)的IP頭部）。這樣攜帶TCP報(bào)文段的IP數(shù)據(jù)報(bào)的長(zhǎng)度就不會(huì)超過(guò)MTU（假設(shè)TCP頭部和IP頭部都不包含選項(xiàng)字段，并且這也是一般情況），從而避免本機(jī)發(fā)生IP分片。對(duì)以太網(wǎng)而言，MSS值是1460（1500-40）字節(jié)
• kind=3，窗口擴(kuò)大因子選項(xiàng)：是一個(gè)用來(lái)改善TCP吞吐量的選項(xiàng)。 TCP連接初始化時(shí)，通信雙方使用該選項(xiàng)來(lái)協(xié)商接收窗口的擴(kuò)大因子。 在TCP的頭部中，接收窗口大小是用16位表示的，故最大為65535字節(jié)，但實(shí)際上TCP模塊允許的接收窗口大小遠(yuǎn)不止這個(gè)數(shù)（為了提高TCP通信的吞吐量）。 窗口擴(kuò)大因子解決了這個(gè)問(wèn)題。 假設(shè)TCP頭部中的接收通告窗口大小是N，窗口擴(kuò)大因子（移位數(shù)）是M，那么TCP報(bào)文段的實(shí)際接收通告窗口大小是N*2M，或者說(shuō)N左移M位

3. Wireshark抓包分析

將Socket API編程模型一文中的TCP Server工程源碼下載到開(kāi)發(fā)板中，用網(wǎng)線將PC和開(kāi)發(fā)板相連接，開(kāi)啟一個(gè)TCP客戶端，打開(kāi)wireshark軟件，監(jiān)聽(tīng)I(yíng)P地址192.168.1.10

在TCP客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)

wireshark抓取到相應(yīng)的TCP數(shù)據(jù)包，客戶機(jī)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)：ACK=1表示確認(rèn)序號(hào)字段有效，PSH=1表示接收方應(yīng)該盡快將這個(gè)報(bào)文段交給應(yīng)用層

主機(jī)收到數(shù)據(jù)后立即返回相應(yīng)數(shù)據(jù)給客戶機(jī)，ACK=1表示確認(rèn)序號(hào)字段有效，PSH=1表示接收方應(yīng)該盡快將這個(gè)報(bào)文段交給應(yīng)用層

客戶機(jī)再次給出響應(yīng)到主機(jī)，ACK=1表示確認(rèn)序號(hào)字段有效，PSH=0表示沒(méi)有數(shù)據(jù)傳遞