TCP

1.TCP的服务可靠性机制

TCP和UDP使用相同的网络层（IP）。

TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。

使用TCP的应用在交换数据之前必须先建立一个TCP连接，TCP通过以下方式来提供可靠性：

分割段：

应用数据被分割成TCP认为最适合发送的长度的数据块（而UDP的数据报长度是保持不变的），TCP传给IP的信息单位称为报文段或段（segment）。
确认和重传：

TCP发出一个段后，启动一个定时器并开始等待目的短确认收到这个报文段。

当TCP收到发自连接另一端的数据，它将发送一个确认（并非立即发送，一般会推迟几分之一秒）。

如果没有及时收到确认，发送方将重发这个段（所以在收到确认前要保留这个段的副本，直到收到确认才删除）。

如果发送方发出的段丢失或者产生了传输差错导致检验和错误，接收方都将不做任何回应，导致发送方重传；如果是接收方已经收到数据，而发回的确认丢失或者迟到了，发送方将在收到确认之前就重传了当前段，这时接收方会重复收到该段，这时接收方会做两件事：（1）丢弃这个重复的分组；（2）再次向发送方发送确认。
部首和数据的检验和：

TCP将保持它部首和数据的检验和。这是一个端到端检验和，目的是检测数据在传输过程中的变化。如果收到段的检验和有差错，TCP将丢弃这个报文段而不发送确认。
失序和重排：

TCP报文段作为IP数据报来传输，而IP数据报的到达是可能失序的，进而TCP报文段的到达也失序了。此时如果必要，TCP将对收到的数据进行重新排序，并将重排后顺序正确的数据交给应用层。

流量控制：

TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间，接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。这能够防止较快的主机导致较慢的主机缓冲区溢出。
采用字节流：

建立TCP连接的两个应用程序交换8 bit字节构成的字节流，称为字节流服务。TCP对字节流的内容不做任何解释，不知道它是二进制数据、ASCII字符、EBCDIC字符或其他类型数据（字节流的解释由应用层完成。）

2.TCP的首部及其功能

TCP数据被封装在一个IP数据报里：

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TCP首部的格式如下：

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源端和目的端的端口号

用于寻找发端和收端应用进程，这两个端口号值以及IP首部里的源端/目的端IP地址一起唯一确定了一个TCP连接。

一个IP地址和一个端口号也称为一个socket，socket pair（插口对）可以唯一确定互联网中每个TCP的双方。
32位序号

是32位无符号数，用来标识从TCP发送端向接收端发送的数据字节流，它表示这个报文段中的第一个数据字节（不包括首部，仅仅是数据部分）的序号。当字节流在两个应用程序间单向流动，TCP会用序号对每个字节进行计数。

当建立一个新的连接时，SYN标志变1，序号字段此时是由这个主机选择的该连接的初始序号ISN（Initial Sequence Number）。该主机要发送数据的第一个字节序号为这个ISN加1，因为 SYN标志要消耗一个序号。
32位确认序号

确认序号是上次已成功收到的数据字节序号+1，它是发送“确认”的那段所期望收到的下一个序号。只有ACK标志置1时确认序号才有效。

发送ACK无需任何代价，因为32 bit的确认序号字段和ACK标志一样，总是TCP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， ACK标志也总是被设置为1。

32位序列号和确认号的作用详解：https://blog.csdn.net/hebbely/article/details/54426590

TCP为应用层提供全双工服务。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。

4bit部首长度

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TCP最多有60字节（32 bit字 = 4字节，四位8+4+2+1 = 15，15*4 = 60字节）的首部。
6个标志比特
- URG：紧急指针（urgent pointer）有效
- ACK：Aknowledge，确认序号有效
- PSH：接收方应尽快将这个报文段交给应用层
- RST：重建连接
- SYN：同步序号，用来发起一个连接
- FIN：发送端完成发送任务
16位窗口大小

窗口大小用来做TCP的流量控制。窗口大小为字节数，起始于确认序号字段指明的值（如前所述这是确认方期望收到的下一个数据字节的序号），从而指明了发送方目前不要发送序号超过（确认序号+滑动窗口大小-1）的数据字节，因为接收方的缓冲区大小顶不住。

16 bit可以表示的最大窗口大小是65535字节。
16位检验和

由发送端计算，然后由接收端验证。如果接收方检测到校验和不对劲，说明传输过程中出现了差错，则这个TCP段会被直接丢弃。

在UDP中检验和是可选的，而TCP中这是强制必须有的。
16位紧急指针

只有当URG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。 TCP的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。
可选项字段

例如，可选段最常见的是最长报文大小（MSS，Maximum Segment Size），连接时通常在发给对方的第一个报文段中向对方指明这个大小，来表明自己无法接收大于这个长度的报文。

在一个连接建立和终止时，双方交换的报文段仅有TCP首部而没有数据段。一方收到数据对对方做出确认时，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。

3.建立连接与终止连接

建立连接：三次握手

请求端发送一个SYN段，指明客户打算连接的服务器端口，以及初始序号（ISN，以下图为例，这个初始序号时1415531521）.
服务器发挥包含服务器的初始序号的SYN报文段作为应答，而确认序号设为客户ISN+1以表示确认，ACK置1。这里发出的SYN将占据一个服务器序号。
客户端将确认序号设置位服务器ISN+1的值，发出对服务器的SYN段的确认。

以上三个步骤完成后就成功建立连接。

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ISN随时间而变化，因此每个连接都有不同的ISN。ISN可以看作一个32 bit计数器，每4ms加1。这样做的目的时防止网络中被延迟的分组在以后又被发送，而导致某个连接的一方对它做出错误的解释。

例如最初我发送一个ISN为100的SYN连接请求，而它被延迟了，我经过等待重传了这个请求。而如果ISN不是随时间递增而是不变的，如果我已经通过重传请求建立和结束了TCP连接，之前被延迟的信号又传到了接收端，等于再次收到一个连接请求从而造成了混乱。

终止连接：四次握手

首先关闭的一方发送一个FIN，关闭本端到对方的数据传输。FIN和SYN一样占用一个序号。
对方收到FIN，发回一个ACK，确认序号为收到的序号+1，同时向应用程序传送一个EOF（文件结束符）。
对方应用程序此时会关闭它的连接，导致它的TCP端发送一个FIN。
首先关闭方收到对面的FIN，发送一个确认，确认序号为收到序号+1。

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关闭连接通常由客户端发起，不过事实上两边都可以发起关闭连接。

TCP服务机制 & TCP首部 & TCP连接的建立与终止（三次握手 & 四次握手）