计算机网络——TCP协议

一、运输层协议

TCP/IP运输层的两个主要协议都是互联网的正式标准：

• 用户数据报协议UDP：无连接的，使用最大努力交付，面向报文，没有拥塞控制，支持一对一、一对多、多对多交互通信。
• 传输控制协议TCP：面向连接的，提供可靠交付的，全双工通信，面向字节流。

UDP：速度快，比TCP稍安全。缺点是不可靠，不稳定。
使用UDP的应用层协议：DNS，RIP（路由信息协议），DHCP（动态主机配置协议），NFS（网络文件系统）等。

TCP：可靠稳定，传输数据之前必须建立连接，数据传输结束后要释放连接。缺点是效率低，占用系统资源高。
使用TCP的应用层协议：SMTP（简单邮件传送协议），HTTP（超文本传送协议），FTP（文件传送协议）等。

二、TCP报文段

TCP虽然是面向字节流的 ，但TCP传送的数据单元是报文段。报文段分为首部和数据两部分。

TCP报文段首部格式如下图，前20字节是固定的，后有4n字节可变选项。

图中重要字段解释：

• 序号（seq）：TCP传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号。
• 确认号（ack）：期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。
• 数据偏移：指出报文段数据起始处距离报文段起始处的偏移量。实际上指出报文段首部的长度。
• 六个控制位：紧急URG（紧急数据需尽快发送），确认ACK（连接建立后确认号需置为1），推送PSH（接收方尽快交付），复位RST（连接出现严重错误，需释放重连），同步SYN（同步序号，表明连接请求或连接接受报文），终止FIN（释放连接，表明数据发放完毕，要求释放）。
• 窗口：发送报文段的一方的接收窗口目前可接受数据量大小（单位：字节）。

三、流量控制与拥塞控制

TCP的滑动窗口已字节为单位，通过滑动窗口实现流量控制。

拥塞控制和流量控制的区别：拥塞控制是防止过多的数据注入网络，使网络中的路由器或链路不致过载。拥塞控制是一个全局的过程。而流量控制是指点对点通行量的控制，是端到端的问题（接收端控制发送端），流量控制是控制发送方的发送速率，让接收方来得及接收。

TCP拥塞控制的算法：慢开始，拥塞避免，快重传，快恢复。

四、TCP连接的建立与释放

TCP是面向连接的协议。运输连接三个阶段：连接建立，数据运输，连接释放。

连接建立

TCP连接的建立采用客户服务器方式。建立连接的过程叫做握手，握手需要在客户和服务器之间交换三个TCP报文段。

• 第一次：客户端向服务器端发送连接请求报文，同步位SYN=1，初始序号seq=x。TCP规定SYN=1的报文段不能携带数据，但要消耗一个序号。A->SYN-SET。
• 第二次：服务器端同意建立连接，确认报文段中SYN=1，ACK=1，确认号ack=x+1，初始序号seq=y。B->SYN-RCVD。
• 第三次：客户端确认，确认报文段中ACK=1，确认号ack=y+1，自己的序号seq=x+1。A->ESTABLISHED。

上述连接建立过程称为三报文握手。图解如下：

问：为什么第三次客户端需要发送确认呢？

答：为了防止已失效的连接请求报文段传送到服务器端，产生错误。简单来讲，客户端发送的连接请求报文段因网络原因滞留，客户端认为其已失效，但其之后又到达服务器端，服务器响应发送确认报文段，但客户端并不会理睬，导致服务器端资源浪费。

释放连接

通信结束时，双方都可以释放连接。

• 第一次：A向B发出连接释放报文段，FIN=1，序号seq=u。A->FIN-WAIT-1。
• 第二次：B收到连接释放报文段后发出确认，ACK=1，ack=u+1，其序号seq=v。B->CLOSE-WAIT。
  （此时从A到B的方向的连接释放完毕，TCP连接出于半关闭状态，B还可向A发送数据）
• 第三次：B向A发出释放报文段，FIN=1，序号seq=w，注意其ACK=1，ack=u+1。B->LAST-ACK。
• 第四次：A收到连接释放报文段后发出确认，ACK=1，ack=w+1。A->TIME-WAIT。

注意，此时TCP连接还没有立即释放，必须经过时间等待计时器设置的时间 2*MSL 后，A进入CLOSE状态。当A撤销相应的传输控制块TCB后，TCP连接释放完毕。

MSL：最长报文段寿命。

连接释放“四次挥手”，其过程图解如下：

问：为什么三次握手后需要等待 2*MSL 时间？

答：原因一：保证A发送的确认报文段能够到正确达B，若出现问题，B超时重传连接释放报文段（第三步），若A立即进入CLOSE状态，无法收到重传的报文段，B无法正常进入CLOSE状态。原因二：防止“已失效的连接请求报文段”出现在本连接中，经过 2*MSL 后可以使本连接持续的时间内所产生的报文段从网络中消失（到达目的地），从而不影响下一次连接。

五、建立连接与释放连接简单记法

连接建立：

A：喂，你听得到吗？
B：我听得到。你听得到我吗？
A：我听得到。
（建立连接，开始聊天）

释放连接：

A：我说完了。
B：好的。
（A停止说，B继续说）
B：我也说完了。
A：好的。

问：为什么建立连接只需要三次握手，释放连接却需要四次挥手呢？

答：建立连接时，服务端在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时，收到FIN连接释放报文段仅仅表示对方不再发送数据了，只发送ACK确认报文段，可能一段时间后才发送FIN连接释放报文段。即ACK与FIN报文段分开发送。

六、利用TCP网络攻击

DoS攻击、DDoS攻击和DRDoS攻击。DoS是Denial of Service的简写，拒绝服务，而DDoS就是Distributed Denial of Service的简写，分布式拒绝服务，而DRDoS就是Distributed Reflection Denial of Service的简写,这是分布反射式拒绝服务。

详细介绍见：