TCP传输控制协议

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原创最新推荐文章于 2026-05-07 09:44:59 发布 336 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

通信工程学习：什么是TCP传输控制协议 TCP是互联网核心协议之一，提供可靠、面向连接的传输层服务。其特点包括：通过三次握手建立连接、四次挥手释放连接；采用序号确认、重传等机制确保可靠传输；支持全双工通信和字节流传输。TCP还通过滑动窗口实现流量控制，并采用慢启动等算法进行拥塞控制。该协议广泛应用于HTTP、邮件、文件传输等场景，为网页浏览、数据库访问等提供可靠数据传输基础。阅读详情

第17章 TCP：传输控制协议

17.1 引言

本章将介绍T C P为应用层提供的服务，以及T C P首部中的各个字段。随后的几章我们在了解T C P的工作过程中将对这些字段作详细介绍。

对T C P的介绍将由本章开始，并一直包括随后的 7章。第1 8章描述如何建立和终止一个T C P连接，第1 9和第2 0章将了解正常的数据传输过程，包括交互使用（远程登录）和批量数据传送（文件传输）。第2 1章提供T C P超时及重传的技术细节，第 2 2和第2 3章将介绍两种其他的定时器。最后，第2 4章概述T C P新的特性以及T C P的性能。

17.2 TCP的服务

尽管T C P和U D P都使用相同的网络层（I P），T C P却向应用层提供与U D P完全不同的服务。T C P提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。面向连接意味着两个使用 T C P的应用（通常是一个客户和一个服务器）在彼此交换数据之前必须先建立一个 T C P连接。这一过程与打电话很相似，先拨号振铃，等待对方摘机说“喂”，然后才说明是谁。在第 1 8章我们将看到一个 T C P连接是如何建立的，以及当一方通信结束后如何断开连接。在一个T C P连接中，仅有两方进行彼此通信。在第 1 2章介绍的广播和多播不能用于T C P。

T C P通过下列方式来提供可靠性：

应用数据被分割成T C P认为最适合发送的数据块。这和 U D P完全不同，应用程序产生的数据报长度将保持不变。由 T C P传递给I P的信息单位称为报文段或段（ s e g m e n t）（参见图1 - 7）。在1 8 . 4节我们将看到T C P如何确定报文段的长度。
当T C P发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。在第 2 1章我们将了解T C P协议中自适应的超时及重传策略。
当T C P收到发自T C P连接另一端的数据，它将发送一个确认。这个确认不是立即发送，通常将推迟几分之一秒，这将在1 9 . 3节讨论。
T C P将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错， T C P将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段（希望发端超时并重发）。
既然T C P报文段作为I P数据报来传输，而I P数据报的到达可能会失序，因此 T C P报文段的到达也可能会失序。如果必要， T C P将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层。
既然I P数据报会发生重复，T C P的接收端必须丢弃重复的数据。
T C P还能提供流量控制。 T C P连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。 T C P的接收端只

允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。

两个应用程序通过T C P连接交换8 bit字节构成的字节流。T C P不在字节流中插入记录标识符。我们将这称为字节流服务（byte stream service）。如果一方的应用程序先传1 0字节，又传2 0字节，再传5 0字节，连接的另一方将无法了解发方每次发送了多少字节。收方可以分 4次接收这8 0个字节，每次接收 2 0字节。一端将字节流放到 T C P连接上，同样的字节流将出现在T C P连接的另一端。

另外，T C P对字节流的内容不作任何解释。 T C P不知道传输的数据字节流是二进制数据，还是A S C I I字符、E B C D I C字符或者其他类型数据。对字节流的解释由 T C P连接双方的应用层解释。

这种对字节流的处理方式与U n i x操作系统对文件的处理方式很相似。U n i x的内核
对一个应用读或写的内容不作任何解释，而是交给应用程序处理。对U n i x的内核来说，
它无法区分一个二进制文件与一个文本文件。

17.3 TCP的首部

T C P数据被封装在一个I P数据报中，如图1 7 - 1所示。

图1 7 - 2显示T C P首部的数据格式。如果不计任选字段，它通常是 2 0个字节。

每个T C P段都包含源端和目的端的端口号，用于寻找发端和收端应用进程。这两个值加上I P首部中的源端I P地址和目的端I P地址唯一确定一个T C P连接。有时，一个I P地址和一个端口号也称为一个插口（ s o c k e t）。这个术语出现在最早的 T C P规范（R F C 7 9 3）中，后来它也作为表示伯克利版的编程接口（参见 1 . 1 5节）。插口对（s o c k e t p a i r）(包含客户I P地址、客户端口号、服务器 I P地址和服务器端口号的四元组 )可唯一确定互联网络中每个T C P连接的双方。

序号用来标识从T C P发端向T C P收端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的的第一个数据字节。如果将字节流看作在两个应用程序间的单向流动，则 T C P用序号对每个字节进行计数。序号是32 bit的无符号数，序号到达2 3 2 －1后又从0开始。当建立一个新的连接时， S Y N标志变1。序号字段包含由这个主机选择的该连接的初始序号I S N（Initial Sequence Number）。该主机要发送数据的第一个字节序号为这个 I S N加1，因为S Y N标志消耗了一个序号（将在下章详细介绍如何建立和终止连接，届时我们将看到 F I N标志也要占用一个序号）。

既然每个传输的字节都被计数，确认序号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号。因此，确认序号应当是上次已成功收到数据字节序号加 1。只有A C K标志（下面介绍）为 1时确认序号字段才有效。发送A C K无需任何代价，因为32 bit的确认序号字段和A C K标志一样，总是T C P首部的一部分。因此，我们看到一旦一个连接建立起来，这个字段总是被设置， A C K标志也总是被设置为1。

T C P为应用层提供全双工服务。这意味数据能在两个方向上独立地进行传输。因此，连接的每一端必须保持每个方向上的传输数据序号。

T C P可以表述为一个没有选择确认或否认的滑动窗口协议（滑动窗口协议用于数据传输将在2 0 . 3节介绍）。我们说T C P缺少选择确认是因为 T C P首部中的确认序号表示发方已成功收到字节，但还不包含确认序号所指的字节。当前还无法对数据流中选定的部分进行确认。例如，如果1～1 0 2 4字节已经成功收到，下一报文段中包含序号从 2 0 4 9～3 0 7 2的字节，收端并不能确认这个新的报文段。它所能做的就是发回一个确认序号为 1 0 2 5的A C K。它也无法对一个报文段进行否认。例如，如果收到包含 1 0 2 5～2 0 4 8字节的报文段，但它的检验和错， T C P接收端所能做的就是发回一个确认序号为 1 0 2 5的A C K。在2 1 . 7节我们将看到重复的确认如何帮助确定分组已经丢失。

首部长度给出首部中32 bit字的数目。需要这个值是因为任选字段的长度是可变的。这个字段占4 bit，因此T C P最多有6 0字节的首部。然而，没有任选字段，正常的长度是 2 0字节。在T C P首部中有6个标志比特。它们中的多个可同时被设置为 1。我们在这儿简单介绍它们的用法，在随后的章节中有更详细的介绍。

U R G 紧急指针（u rgent pointer）有效（见2 0 . 8节）。
A C K 确认序号有效。
P S H 接收方应该尽快将这个报文段交给应用层。
R S T 重建连接。
S Y N 同步序号用来发起一个连接。这个标志和下一个标志将在第 1 8章介绍。
F I N 发端完成发送任务。

T C P的流量控制由连接的每一端通过声明的窗口大小来提供。窗口大小为字节数，起始于确认序号字段指明的值，这个值是接收端正期望接收的字节。窗口大小是一个 16 bit字段，因而窗口大小最大为 6 5 5 3 5字节。在2 4 . 4节我们将看到新的窗口刻度选项，它允许这个值按比例变化以提供更大的窗口。

检验和覆盖了整个的T C P报文段：T C P首部和T C P数据。这是一个强制性的字段，一定是由发端计算和存储，并由收端进行验证。 T C P检验和的计算和 U D P检验和的计算相似，使用如11 . 3节所述的一个伪首部。只有当U R G标志置1时紧急指针才有效。紧急指针是一个正的偏移量，和序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。 T C P的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。我们将在2 0 . 8节介绍它。

最常见的可选字段是最长报文大小，又称为 MSS (Maximum Segment Size)。每个连接方通常都在通信的第一个报文段（为建立连接而设置 S Y N标志的那个段）中指明这个选项。它指明本端所能接收的最大长度的报文段。我们将在 1 8 . 4节更详细地介绍M S S选项，T C P的其他选项中的一些将在第2 4章中介绍。从图1 7 - 2中我们注意到T C P报文段中的数据部分是可选的。我们将在 1 8章中看到在一个连接建立和一个连接终止时，双方交换的报文段仅有 T C P首部。如果一方没有数据要发送，也使用没有任何数据的首部来确认收到的数据。在处理超时的许多情况中，也会发送不带任何数据的报文段。

17.4 小结

T C P提供了一种可靠的面向连接的字节流运输层服务。我们简单地介绍了 T C P首部中的各个字段，并在随后的几章里详细讨论它们。

T C P将用户数据打包构成报文段；它发送数据后启动一个定时器；另一端对收到的数据进行确认，对失序的数据重新排序，丢弃重复数据； T C P提供端到端的流量控制，并计算和验证一个强制性的端到端检验和。许多流行的应用程序如Te l n e t、R l o g i n、F T P和S M T P都使用T C P。

参考资料：

1，TCP-IP详解卷1：第17章

链接：https://pan.baidu.com/s/1uZ3cQvMFCDQEJ7B2QmyxCw 提取码：tpkn

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