TCP原理分析

最新推荐文章于 2024-10-24 17:00:44 发布

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本文深入解析TCP报文首部结构，包括端口号、序列号、确认号、数据偏移等关键字段，同时详细阐述了TCP连接的建立（三次握手）与释放（四次挥手）过程，以及TIME_WAIT状态的存在理由。文章旨在提供全面理解TCP协议的基础知识。

一、TCP 报文首部

端口号

占两个字节，将应用进程与IP网络相关联，是应用进程的地址标识。一个端口号是一个16位号码

注意：公用端口号属于标准服务器，由权威机构统一分配：1～1023

临时端口号用户客户从 1024～65535

序列号

占四个字节，TCP连接中传送的数据流中的每一个字节都编上一个序号。序号字段的值则指的是本报文段所发送的数据的第一个字节序号。

确认号

占四个四节，是期望收到对方的下一个报文段的数据的第一个字节序号。确认序号是上一次已成功收到数据字节序号加1.只有ACK标志为1时，确认序号字段才有效。

数据偏移

占4个bit，指出TCP报文段的数据起始处距离原TCP报文段的起始处有多远，用于分片。

ACK ＝ 1时，确认号有效

ACK ＝ 0时，确认号无效

SYN ＝ 1时，同步比特SYN置为1，就表示这是一个连接请求或连接接受报文。

FIN ＝ 1时，释放连接，表示此报文段的发送端的数据已发送完毕，并要求释放一个连接。

URG ＝ 1时，表示紧急指针字段有效
PSH ＝ 1时，表示当前报文需要请求推（push）操作
RST ＝ 1时，置位表示复位TCP连接

窗口

占2个字节，窗口大小是为进行流量控制所设置的。如果不进行流量控制，一旦

发送端和接收端数据发送速率存在很大差异，那么很有可能一方的接受缓

冲已经被填满，而另一端毫无所知，仍在不停发送数据，显然这种情况下

会大量丢包，重传，进而造成网络拥塞。

校验和

占两个字节，每一个报文段都有一个校验和，这可以保证被传输层接受的数据的正确性。如果校验失败，则该报文段会被丢弃。接收端不进行确认，发送端待重传定时器超时时进行重传。校验和覆盖了整个TCP报文段，包括TCP首部和TCP数据。

以上是TCP包头必须要有的字段，也称固有字段，长度为20个字节。

二.TCP的连接与终止过程

建立一个TCP连接，必须经历三次握手过程，其中发送第一个SYN的一端将执行主动打开，接收这个SYN并发回下一个SYN的另一端执行被动打开。

释放连接的过程

要释放一个TCP连接，需要通过四次握手过程，这是由TCP的半关闭特性造成的，因为TCP连接时全双工的，因此，需要TCP两端要单独执行关闭。值得注意的是，主动关闭的一端在发送FIN之后，依然还能正常接收对方的数据，只是通知对方它已经没有数据需要发送了，同理，被动关闭的一端在收到FIN之后，仍然可以发送数据，直到它自身同样发出FIN之后，才停止发送数据。

各个状态说明

注： 1.TCP连接的超时问题，完成一个TCP连接，中间涉及到一个超时的问题，大多数伯克利系统的超时时限为75s。

三 TIME_WAIT状态存在的理由

TIME_WAIT状态也称为2MSL等待状态。每个TCP必须选择一个报文段最大生存时间（MSL）。它是任何报文段被丢弃前在网络的最长时间。当TCP执行一个主动关闭，并发回最后一个ACK，该连接必须在TIME_WAIT状态停留的时间为2MSL。这样可以让TCP再次发送最后的ACK以避免这个ACK丢失（另一端超时并重发最后的FIN）。这种2MSL等待的另一个结果是这个TCP连接在2MSL等待期间，定义这个连接的插口不能被使用。

TCP协议在关闭连接的四次握手过程中，最终的ACK是由主动关闭连接的一端（后面统称A端）发出的，如果这个ACK丢失，对方（后面统称B端）将重发出最终的FIN，因此A端必须维护状态信息（TIME_WAIT）允许它重发最终的ACK。如果A端不维持TIME_WAIT状态，而是处于CLOSED 状态，那么A端将响应RST分节，B端收到后将此分节解释成一个错误（在java中会抛出connection reset的SocketException)。

因而，要实现TCP全双工连接的正常终止，必须处理终止过程中四个分节任何一个分节的丢失情况，主动关闭连接的A端必须维持TIME_WAIT状态。

考虑一下，如果延迟或者重传段在连接关闭后到达时会发生什么呢？

通常情况下，因为TCP仅仅丢弃该数据并响应RST消息，所以这不会造成任何问题。当RST消息到达发出延时段的主机时，因为该主机也没有记录连接的任何信息，所以它也丢弃该段。然而，如果两个相同主机之间又建立了一个具有相同端口号的新连接，那么离群的段就可能被看成是新连接的，如果离群的段中数据的任何序列号恰恰在新连接的当前接收窗口中，数据就会被重新接收，其结果就是破坏新连接。

参考： http://blog.youkuaiyun.com/jacson8408/article/details/7561507