【网络基础知识】TCP协议及三次握手/四次挥手过程详细介绍

【网络基础知识】TCP协议及三次握手/四次挥手过程详细介绍

1. 简介

传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793定义。传输控制协议是为了在不可靠的互联网络上提供可靠的端到端字节流而专门设计的一个传输协议。互联网络与单个网络有很大的不同，因为互联网络的不同部分可能有截然不同的拓扑结构、带宽、延迟、数据包大小和其他参数。TCP的设计目标是能够动态地适应互联网络的这些特性，而且具备面对各种故障时的健壮性。不同主机的应用层之间经常需要可靠的、像管道一样的连接，但是IP层不提供这样的流机制，而是提供不可靠的包交换。

2. 功能

当应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，TCP则把数据流分割成适当长度的报文段，最大传输段大小（​​MSS​​）通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传送单元（MTU）限制。之后TCP把数据包传给IP层，由它来通过网络将包传送给接收端实体的TCP层。TCP为了保证报文传输的可靠，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的字节发回一个相应的确认（ACK）；如果发送端实体在合理的往返时延（RTT）内未收到确认，那么对应的数据（假设丢失了）将会被重传。在数据正确性与合法性上，TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误，在发送和接收时都要计算校验和；同时可以使用md5认证对数据进行加密。在保证可靠性上，采用超时重传和捎带确认机制。在流量控制上，采用滑动窗口协议，协议中规定，对于窗口内未经确认的分组需要重传。

3. 特点

TCP是一种面向广域网的通信协议，目的是在跨越多个网络通信时，为两个通信端点之间提供一条具有下列特点的通信方式：

（1）基于流的方式；

（2）面向连接；

（3）可靠通信方式；

（4）在网络状况不佳的时候尽量降低系统由于重传带来的带宽开销；

（5）通信连接维护是面向通信的两个端点的，而不考虑中间网段和节点。

为满足TCP协议的这些特点，TCP协议做了如下的规定：

① 数据分片：在发送端对用户数据进行分片，在接收端进行重组，由TCP确定分片的大小并控制分片和重组；

② 到达确认：接收端接收到分片数据时，根据分片数据序号向发送端发送一个确认；

③ 超时重发：发送方在发送分片时启动超时定时器，如果在定时器超时之后没有收到相应的确认，重发分片；

④ 滑动窗口：TCP连接每一方的接收缓冲空间大小都固定，接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据，TCP在滑动窗口的基础上提供流量控制，防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出；

⑤ 失序处理：作为IP数据报来传输的TCP分片到达时可能会失序，TCP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；

⑥ 重复处理：作为IP数据报来传输的TCP分片会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据；

⑦ 数据校验：TCP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。如果收到分片的检验和有差错，TCP将丢弃这个分片，并不确认收到此报文段导致对端超时并重发。

4. TCP协议数据格式

图注：TCP协议数据格式

源端口：发送数据端套接字的端口号。目的端口：目的套接字端口号。顺序号：该数据报第一个数据字节的序列号，用作标识该报文段序列号。应答号：存放的是发送方期望收到的数据段序号，算作是对收到报文的一个确认。ACK标志为 0 时，应答号部分无效(例如首个连接的[SYN]数据包)，ACK标志为1时应答号才有效。TCP首部长度：标明TCP协议报头长度，单位是32bit即4个字节，其最小值为5（​​5 x 4 = 20 byte​​，这个长度是除去可选项的长度），从上图中看出，其规定头部长为 4 bit，所以最大值为 15，​​15 x 4 = 60 byte​​可以算出可选项长度大为40个字节(​​60 byte - 20 byte = 40 byte​​)。保留位：保留字段长度为3位，必须全置为0。标记：

窗口：表示发送方还可以接受数据大小，防止对方发送数据大于自己的缓冲数据区，从应答字段的顺序号开始计。效验和：效验和覆盖整个TCP报文段，强制字段，由发送端计算存储，接收端进行验证。紧急指针：当Urgent标志置1时，紧急指针才有效。可选项：可选项可以有 0 到多个，可选项字段以第一个字节表明其类型，第二个字节表示该可选项的总长度，后面紧跟可选项的值(长度为可选项的总长度-2)。可选项字段可以从任何字节边界开始，但若最后选项长度不足的话，要填充以补足定义的数据段长度。

5. TCP三次握手建立连接过程

图注：TCP三次握手建立连接过程

第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包（syn=j）到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认；SYN：同步序列编号（Synchronize Sequence Numbers）；第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED（TCP连接成功）状态，完成三次握手。

6.TCP四次挥手断开连接过程

图注：TCP四次挥手断开连接过程

当客户端没有数据再需要发送给服务端时，就需要释放客户端的连接，这整个过程为：

客户端发送一个报文给服务端（没有数据），其中FIN设置为1，Sequence Number置为u，客户端进入FIN_WAIT_1状态；服务端收到来自客户端的请求，发送一个ACK给客户端，Acknowledge置为u+1，同时发送Sequence Number为v，服务端年进入CLOSE_WAIT状态；服务端发送一个FIN给客户端，ACK置为1，Sequence置为w，Acknowledge置为u+1，用来关闭服务端到客户端的数据传送，服务端进入LAST_ACK状态；客户端收到FIN后，进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给服务端，Acknowledge置为w+1，Sequence Number置为u+1，最后客户端和服务端都进入CLOSED状态。

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