计算机网络协议系列 - 传输层协议篇：TCP 协议（上）

Friday. June 28, 2019 - 1 min

计算机网络协议系列（十九）

TCP简介

前面已经介绍过传输层有两个具有代表性的协议，分别是 UDP 协议和 TCP 协议，上一篇我们已经介绍过 UDP 协议，它是面向无连接的不可靠传输协议，但是没有复杂的设计也就意味着比较简单高效。今天我们开始介绍 TCP 协议，与 UDP 协议不同，TCP 协议提供的是面向连接的可靠性传输，比 UDP 协议要复杂很多。

TCP 的是英文 Transmission Control Protocol 的首字母缩写，中文含义是传输控制协议。互联网协议标准 TCP/IP 协议族就是取了前面介绍的网络层 IP 协议和这里的传输层 TCP 协议作为其中最为重要的两个协议为基础进行取名，足见 TCP 协议的重要性。

UDP 协议是一种没有复杂控制，提供面向无连接通信服务的一种协议，换句话说，它将部分控制转移给应用程序去处理，自己却只提供作为传输层协议的最基本功能。

TCP 协议与 UDP 协议区别很大，它充分实现了数据传输时的各种控制功能，可以进行丢包时的重发控制，还可以对次序乱掉的分包进行顺序控制。此外，TCP 作为一种面向有连接的协议，只有在确认通信对端存在时才会发送数据，从而可以控制通信流量的浪费。

为了实现可靠性传输，TCP 协议需要考虑很多事情，比如数据的破坏、丢包、重复以及分片顺序混乱等问题。TCP 通过检验和、序列号、确认应答、重发控制、连接管理以及窗口控制等机制实现可靠性传输。

综上，TCP 协议与 UDP 协议的主要区别如下：

• TCP 提供面向连接的可靠传输，UDP 则提供面向无连接的不可靠传输，不保证不丢包，也不保证包按顺序到达，而 TCP 可以保证
• TCP 有拥塞控制，可以通过窗口控制对网络流量进行控制，避免网络拥塞，UDP 则不会。

由此，也决定了 TCP 协议主要用于可靠传输，而 UDP 主要用于对高速传输或者对实时性要求较高的通信或广播通信。我们日常比较熟悉的 HTTP 协议就是基于 TCP 协议的，此外，用于远程连接的 SSH 协议、发送邮件的 SMTP 协议、传输文件的 FTP 协议都是需要建立连接的可靠传输，也都是基于 TCP 协议。

关于 TCP 协议中连接的建立（三次握手）、重发机制、包顺序的保证、流量控制和拥塞控制的实现原理，放到下一节去详细展开，在此之前，我们先熟悉下 TCP 报文首部格式（包头），以便对相应的数据结构做到心中有数。

TCP报文首部格式

TCP 首部格式比 UDP 要复杂的多：

TCP 中没有表示包长度和数据长度的字段，可由 IP 层获取 TCP 的包长度，由 TCP 的包长可获知数据的长度。

• 源端口号：发送端端口号

• 目标端口号：接收端端口号

• 序列号：发送数据的位置，每发送一次数据，就累加一次该数据字节数的大小，序列号不会从0或1开始，而是在建立连接时由计算机生成的随机数作为初始值，通过 SYN 包发送给接收端主机。此外，建立连接和断开连接时虽然不传输数据，但也会作为一个字节增加对应的序列号

• 确认应答号：下一次应该接收到的数据的序列号，实际上，它是指已经收到确认应答号减一为止的数据

• 数据偏移：TCP 所传输的数据部分应该从 TCP 包的哪个位置开始计算，也可以将其看作 TCP 包的长度，单位为4字节

• 保留：为了以后扩展用

• 控制位：字段长8位，每一位从左到右分别是CWR、ECE、URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN

• - CWR（Congestion Window Reduced）：与后面的ECE都是用于IP首部的ECN字段，为1时通知对方已将拥塞窗口缩小

  • ECE（ECN-Echo）：置为1时通知通信对方，从对方到这边的网络有拥堵

  • URG（Urgent Flag）：该位为1时，表示包中有需要紧急处理的数据

  • ACK（Acknowledgement Flag）：该位为1时，确认应答的字段变为有效

  • PSH（Push Flag）：该位为1时，表示需要将收到的数据立即传给上层应用协议，为0时则表示先不上传而是缓存起来

  • RST（Reset Flag）：该位为1时，表示TCP连接中出现异常必须强制断开连接

  • SYN（Synchronize Flag）：该位为1时，表示希望建立连接，并在序列号字段进行序列号初始值的设定

  • FIN（Fin Flag）：该位为1时，表示今后不会再有数据发送，希望断开连接

• 窗口大小：用于通知从相同 TCP 首部的确认应答号所指位置开始能够接收的数据大小
• 校验和：TCP和UDP一样，在计算校验和时使用伪首部，主要用于检查路由器内存故障或程序漏洞导致的数据破坏
• 紧急指针：只有在 URG 控制位为1时有效，该字段数值表示本报文段中紧急数据的指针
• 选项：用于提高 TCP 的传输性能
• 填充：选项长度不足32位整数倍时将其补齐到32位整数倍