# 传输控制协议 TCP

# 前言

当一台计算机想要与另一台计算机通讯时，两台计算机之间的通信需要畅通且可靠，这样才能保证正确收发数据。例如，当你想查看网页或查看电子邮件时，希望完整且按顺序查看网页，而不丢失任何内容。当你下载文件时，希望获得的是完整的文件，而不仅仅是文件的一部分，因为如果数据丢失或乱序，都不是你希望得到的结果，于是就用到了TCP。

# TCP 详解

TCP协议全称是传输控制协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由 IETF 的RFC 793定义。TCP 是面向连接的、可靠的流协议。流就是指不间断的数据结构，你可以把它想象成排水管中的水流。

在因特网协议族（Internet protocol suite）中，TCP 层是位于 IP 层之上，应用层之下的中间层。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。

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，然后 TCP 把数据流分区成适当长度的报文段（通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传输单元（MTU）的限制）。

之后 TCP 把结果包传给 IP 层，由它来通过网络将包传送给接收端实体的 TCP 层。TCP 为了保证不发生丢包，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包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，那么对应的数据包就被假设为已丢失将会被进行重传。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。

# TCP 头部

对于 TCP 头部来说，以下几个字段是很重要的：

• Sequence number，这个序号保证了 TCP 传输的报文都是有序的，对端可以通过序号顺序的拼接报文；

• Acknowledgement Number，这个序号表示数据接收端期望接收的下一个字节的编号是多少，同时也表示上一个序号的数据已经收到；

• Window Size，窗口大小，表示还能接收多少字节的数据，用于流量控制；

• 标识符：

  • URG=1：该字段为一表示本数据报的数据部分包含紧急信息，是一个高优先级数据报文，此时紧急指针有效。紧急数据一定位于当前数据包数据部分的最前面，紧急指针标明了紧急数据的尾部。

  • ACK=1：该字段为一表示确认号字段有效。此外，TCP 还规定在连接建立后传送的所有报文段都必须把 ACK 置为一。

  • PSH=1：该字段为一表示接收端应该立即将数据 push 给应用层，而不是等到缓冲区满后再提交。

  • RST=1：该字段为一表示当前 TCP 连接出现严重问题，可能需要重新建立 TCP 连接，也可以用于拒绝非法的报文段和拒绝连接请求。

  • SYN=1：当SYN=1，ACK=0时，表示当前报文段是一个连接请求报文。当SYN=1，ACK=1时，表示当前报文段是一个同意建立连接的应答报文。

  • FIN=1：该字段为一表示此报文段是一个释放连接的请求报文。

# TCP 连接过程

如下图所示，可以看到建立一个TCP连接的过程为（三次握手的过程）:

首先假设主动发起请求的一端称为客户端，被动连接的一端称为服务端。不管是客户端还是服务端，TCP 连接建立完后都能发送和接收数据，所以 TCP 是一个全双工的协议。

起初，两端都为 CLOSED 状态。在通信开始前，双方都会创建 TCB。 服务器创建完 TCB 后便进入 LISTEN 状态，此时开始等待客户端发送数据。

• 第一次握手

  客户端向服务端发送连接请求报文段。该报文段中包含自身的数据通讯初始序号。请求发送后，客户端便进入 SYN-SENT 状态。

• 第二次握手

  服务端收到连接请求报文段后，如果同意连接，则会发送一个应答，该应答中也会包含自身的数据通讯初始序号，发送完成后便进入 SYN-RECEIVED 状态。

• 第三次握手

  当客户端收到连接同意的应答后，还要向服务端发送一个确认报文。客户端发完这个报文段后便进入 ESTABLISHED 状态，服务端收到这个应答后也进入 ESTABLISHED 状态，此时连接建立成功。

# TCP 断开链接

TCP 是全双工的，在断开连接时两端都需要发送 FIN 和 ACK。

• 第一次握手

  若客户端 A 认为数据发送完成，则它需要向服务端 B 发送连接释放请求。

• 第二次握手

  B 收到连接释放请求后，会告诉应用层要释放 TCP 链接。然后会发送 ACK 包，并进入 CLOSE_WAIT 状态，此时表明 A 到 B 的连接已经释放，不再接收 A 发的数据了。但是因为 TCP 连接是双向的，所以 B 仍旧可以发送数据给 A。

• 第三次握手

  B 如果此时还有没发完的数据会继续发送，完毕后会向 A 发送连接释放请求，然后 B 便进入 LAST-ACK 状态。

  tips

  通过延迟确认的技术（通常有时间限制，否则对方会误认为需要重传），可以将第二次和第三次握手合并，延迟 ACK 包的发送。

• 第四次握手

  A 收到释放请求后，向 B 发送确认应答，此时 A 进入 TIME-WAIT 状态。该状态会持续 2MSL（最大段生存期，指报文段在网络中生存的时间，超时会被抛弃） 时间，若该时间段内没有 B 的重发请求的话，就进入 CLOSED 状态。当 B 收到确认应答后，也便进入 CLOSED 状态。

  为什么 A 要进入 TIME-WAIT 状态，等待 2MSL 时间后才进入 CLOSED 状态？

  为了保证 B 能收到 A 的确认应答。若 A 发完确认应答后直接进入 CLOSED 状态，如果确认应答因为网络问题一直没有到达，那么会造成 B 不能正常关闭。

# TCP 的特点

# 面向连接

面向连接，是指发送数据之前必须在两端建立连接。建立连接的方法是“三次握手”，这样能建立可靠的连接。建立连接，是为数据的可靠传输打下了基础。

# 仅支持单播传输

每条 TCP 传输连接只能有两个端点，只能进行点对点的数据传输，不支持多播和广播传输方式。

# 面向字节流

TCP 不像 UDP 一样那样一个个报文独立地传输，而是在不保留报文边界的情况下以字节流方式进行传输。

# 可靠传输

对于可靠传输，判断丢包，误码靠的是TCP的段编号以及确认号。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。

# 提供拥塞控制

当网络出现拥塞的时候，TCP能够减小向网络注入数据的速率和数量，缓解拥塞。

# 提供全双工通信

TCP 允许通信双方的应用程序在任何时候都能发送数据，因为 TCP 连接的两端都设有缓存，用来临时存放双向通信的数据。当然，TCP 可以立即发送一个数据段，也可以缓存一段时间以便一次发送更多的数据段（最大的数据段大小取决于MSS）。

# TCP 和 UDP 的比较

	UDP	TCP
是否连接	无连接	面向连接
是否可靠	不可靠传输，不使用流量控制和拥塞控制	可靠传输，使用流量控制和拥塞控制
连接对象个数	支持一对一，一对多，多对一和多对多交互通信	只能是一对一通信
传输方式	面向报文	面向字节流
首部开销	首部开销小，仅8字节	首部最小20字节，最大60字节
适用场景	适用于实时应用（IP电话、视频会议、直播等）	适用于要求可靠传输的应用，例如文件传输

# 基于 TCP 实现的协议

• HTTP/HTTPS

• Telnet

• FTP

• SMTP

# 总结

• TCP向上层提供面向连接的可靠服务 ，UDP向上层提供无连接不可靠服务。

• 虽然 UDP 并没有 TCP 传输来的准确，但是也能在很多实时性要求高的地方有所作为

• 对数据准确性要求高，速度可以相对较慢的，可以选用TCP