协议系列之TCP协议

3、TCP协议

从上一节我们了解了什么是IP协议，以及IP协议的一些特性，利用IP协议传输都是单向的，不可靠的，无连接状态的。正是这些特性，于是便产生了TCP协议。TCP协议属于传输层，在IP协议网络层之上，竟然IP协议不可靠，那就必须要在其上多一个TCP协议以实现传输的可靠性。就像我们寄出一封信，如果对方不回信，不通过别的渠道告诉你，你永远都无法保证这封信能准确送到对方手上。同样，TCP协议采取了类似的措施来保证数据包的准确送达，它规定接收端发送一个确认数据包回来。

严格地说，TCP协议提供了可靠、全双工、流式和无结构传输服务。它通过两种技术达到可靠性——积极确认和重发送。接收端在收到发送者发送的数据后，必须发送一个相应的确认消息（ACK），告诉发送到我已经收到这个数据包。对于超时丢失的数据包，TCP会重新发送这个数据包。

TCP报文以IP报文为载体，嵌套在IP报文里面。图2-2-3-1展示了TCP报文格式。源端口跟目的端口肯定就是描述“从哪个端口来，到哪个端口去”。序号用于标识发送的顺序数，对所有通过TCP传输的的字节进行统计。确认序号则表示哪些序号的数据包已经成功接收。这里重点讲这个ACK位，这个标记位用于确认接收，初始化一个连接用SYN+ACK组合，关闭一个连接用ACK+FIN组合。校验和则用于验证数据包的正确性。其他字段不再赘述，可以查找相关资料了解。

图2-2-3-1 TCP协议报文

TCP协议连接的建立是通过三次握手完成的，这是TCP的重要内容，有必要深入理解，图2-2-3-2为TCP建立连接图示，假设从客户端发起连接请求，首先客户端会把SYN标志置位，同时初始化一个发送序列号，插入TCP报头的序列号区域，一起发给服务器；服务器收到该TCP分段后，把ACK标志置位，并初始化一个序列号，同时把接收到的客户端的发送序号加一，作为确认序号发送给客户端，告知客户端之前发送的数据我都收到了；最后，确认收到服务器的TCP分段，将ACK标志置位，并把服务器发来的发送序号加一返回给服务器。目前为止，TCP连接已经完整建立，可以开始全双工模式的数据传输了。

图2-2-3-2 TCP协议连接建立

建立连接后，如果不传输数据了，就要把连接关闭，由于TCP存在半关闭状态，所以TCP的连接关闭要通过四次握手完成的。如图2-2-3-3，TCP连接是全双工传输（两个方向能同时传输数据），每个方向必须要单独对其进行关闭。客户端的应用程序发送关闭命令给TCP，TCP发送完尚未处理的报文后，不在受理客户端应用程序的数据发送，并且发送附带发送序号、确认序号、ACK=1、FIN=1等字段的报文到服务器端，服务器端发送确认信息给客户端，接着服务器向客户端发送FIN报文，客户端回以确定信息。为了避免客户端的确认报文丢失服务器重传报文对新连接的干扰，客户端会等待一段时间才关闭连接。通过这样四次握手，完成关闭连接。

图2-2-3-3 TCP协议连接关闭

最后简单总结一下，TCP协议有以下几个特点：

①  TCP通过确认机制来保证数据包传送的可靠性。

② TCP通过CRC校验机制来保证数据包传输的无差错性。

③ TCP会重新排序乱序的数据包和丢弃重复的数据。

④ TCP能够提供流量控制机制，使用滑动窗口算法。

⑥ TCP能协商发送的数据报文长度。

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