tcp/ip学习之11: tcp协议格式

tcp协议

TCP（Transmission Control Protocol）即传输控制协议，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

一、TCP的主要特点

  1. 面向连接
    • 在数据传输之前，TCP需要在通信双方之间建立一个连接。这个过程就像打电话，在通话之前需要先拨号建立通话线路。例如，当你的浏览器要从服务器下载一个网页时，浏览器（客户端）会先向服务器发送一个建立连接的请求。服务器收到请求后，会进行一系列的握手过程来确认连接。只有在连接建立成功后，数据才能开始传输。
  2. 可靠传输
    • TCP通过多种机制来保证数据的可靠传输。它使用序列号来对发送的字节流进行编号。比如，客户端发送的一系列数据包，每个数据包都有一个序列号。当服务器收到数据包后，会根据序列号来检查数据是否完整、是否有重复或者丢失。如果发现数据丢失，TCP会要求重传丢失的数据包。同时，TCP还使用确认应答（ACK）机制，接收方收到数据后会发送一个确认消息给发送方，告知数据已经成功接收。如果发送方在一定时间内没有收到确认应答，就会重传数据。
  3. 基于字节流
    • TCP把应用层的数据看作是一个无结构的字节流。它不会像UDP那样把数据划分为一个个独立的报文。例如，一个大型文件在应用层被分割成多个字节，TCP会把这些字节按照顺序传输，接收方收到后会根据序列号重新组装成完整的文件，而不会像UDP那样可能会丢失或者顺序混乱。
  4. 拥塞控制
    • TCP能够根据网络的拥塞情况动态调整发送数据的速率。当网络出现拥塞时，TCP会减慢发送速度，避免过多的数据包同时进入网络，导致网络瘫痪。例如，在一个网络环境中，当多个用户同时下载大文件时，网络可能会出现拥塞。TCP会根据网络的反馈（如丢包率等）来调整每个连接的发送速率，使得网络资源能够更合理地分配。

二、TCP的协议格式

0                   1                   2                   3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|          源端口（16位）          |         目的端口（16位）         |
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|                        序列号（32位）                        |
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|                     确认号（32位）（如果ACK标志位为1）       |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  数据偏移（4位）| 保留（6位）|      标志位（6位）       |  窗口大小（16位）|
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|                     校验和（16位）         |    紧急指针（16位）       |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    选项（可选，最大40字节）                  |
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|                             数据                              |
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  1. 源端口和目的端口
    • 这两个字段各占16位。源端口是发送端的端口号，用于标识发送端的应用程序；目的端口是接收端的端口号，用于标识接收端的应用程序。例如，当一个客户端通过浏览器（通常使用80端口）访问服务器上的网页时，客户端会随机选择一个端口（如12345）作为源端口，而目的端口就是服务器的80端口。
  2. 序列号
    • 占32位，用于标识从TCP源端向目的端发送的字节流。序列号的初始值是随机的，每发送一个字节，序列号就加1。例如，一个客户端发送一个包含100字节数据的报文，序列号从1000开始，那么下一个报文的序列号就会从1100开始（假设没有其他数据发送）。
  3. 确认号
    • 占32位，是接收方期望收到的下一个字节的序列号。如果发送方发送了序列号为1000 - 1099的数据，接收方正确接收后，会发送一个确认号为1100的确认报文，表示它期望收到的下一个字节的序列号是1100。
  4. 数据偏移
    • 占4位，表示TCP报头的长度。因为TCP报头长度不是固定的，它可能包含可选的扩展选项，所以需要这个字段来标识报头的长度。
  5. 标志位
    • 包含多个标志位，如SYN（同步序列号）、ACK（确认应答）、FIN（结束连接）等。例如，在建立连接的三次握手过程中，客户端发送的第一个报文会设置SYN标志位，表示请求建立连接；服务器收到后会回复一个带有SYN和ACK标志位的报文；客户端再回复一个带有ACK标志位的报文，完成连接建立。
  6. 窗口大小
    • 占16位，用于流量控制。它表示接收方能够接收的数据量。例如，如果接收方的窗口大小为1024字节，那么发送方一次最多只能发送1024字节的数据，直到收到接收方的确认和窗口更新。
  7. 校验和
    • 占16位，用于检查TCP报头和数据部分的错误。它通过一定的算法计算出一个校验值，接收方收到数据后会重新计算校验值，如果和发送方的校验值不一致，就说明数据在传输过程中出现了错误。
  8. 紧急指针
    • 占16位，用于指出在TCP数据中有紧急数据的位置。当有紧急数据需要优先处理时，这个字段就会发挥作用。例如，在一个交互式应用中，用户可能需要立即发送一个中断信号，紧急指针就可以用来标识这个信号的位置。
  9. 选项和填充
    • 选项部分是可选的，用于扩展TCP的功能。例如，它可以用于支持更大的窗口大小等。填充部分是为了使整个TCP报头的长度是32位的整数倍。

三、TCP的三次握手和四次挥手过程

  1. 三次握手
    • 第一次握手： 客户端向服务器发送一个SYN报文，表示请求建立连接。这个报文的序列号是x。
    • 第二次握手： 服务器收到客户端的SYN报文后，会回复一个SYN - ACK报文。这个报文的序列号是y，确认号是x + 1，表示服务器已经收到客户端的SYN报文，并且期望收到下一个序列号为x + 1的数据。
    • 第三次握手： 客户端收到服务器的SYN - ACK报文后，会发送一个ACK报文给服务器。这个报文的序列号是x + 1，确认号是y + 1。当服务器收到这个ACK报文后，连接就建立成功了。
  2. 四次挥手
    • 第一次挥手： 当客户端或服务器一方想要关闭连接时，会发送一个FIN报文给对方。例如，客户端发送一个FIN报文，序列号为x，表示客户端已经没有数据要发送了。
    • 第二次挥手： 接收方（服务器）收到FIN报文后，会发送一个ACK报文给发送方（客户端），确认号为x + 1。此时，发送方进入半关闭状态，它仍然可以接收数据，但不能发送数据。
    • 第三次挥手： 当接收方（服务器）也完成数据传输后，会发送一个FIN报文给发送方（客户端），序列号为y。
    • 第四次挥手： 发送方（客户端）收到FIN报文后，会发送一个ACK报文给接收方（服务器），确认号为y + 1。然后，发送方等待一段时间（2MSL，即最大报文段寿命），如果没有收到任何报文，就认为连接已经安全关闭。

四、TCP协议的位置

TCP（传输控制协议）在TCP/IP模型中位于传输层。TCP/IP模型是一个分层的网络协议体系结构，用于规范网络通信的过程。它由四层组成，分别是链路层、网络层、传输层和应用层。TCP在其中的传输层发挥着关键作用。
TCP/IP模型的分层结构
TCP/IP模型的四层结构如下：
链路层（Link Layer）
功能：负责处理与物理网络的接口，包括硬件设备驱动程序、网卡和网络介质等。它负责将数据封装成帧（Frame），并通过物理介质（如以太网电缆）发送出去。链路层还负责错误检测和纠正。
常见协议：以太网（Ethernet）、无线局域网（WLAN）、点对点协议（PPP）等。
网络层（Internet Layer）
功能：负责将数据包从源主机传输到目标主机。它主要处理路由选择和数据包的转发。网络层将数据封装成IP数据报（IP Datagram），并使用IP地址来标识源和目标主机。
主要协议：IP（Internet Protocol）、ICMP（Internet Control Message Protocol）、IGMP（Internet Group Management Protocol）等。
传输层（Transport Layer）
功能：负责端到端的通信，确保数据的可靠传输。传输层提供了两种主要的协议：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。TCP提供可靠的、面向连接的字节流服务，而UDP提供无连接的、不可靠的数据报服务。
主要协议：
TCP（Transmission Control Protocol）：提供可靠的、面向连接的字节流服务，确保数据的完整性和顺序传输。它通过序列号、确认应答、重传机制等来实现可靠性。
UDP（User Datagram Protocol）：提供无连接的、不可靠的数据报服务，适用于对实时性要求较高但对可靠性要求较低的应用，如视频流和语音通信。
应用层（Application Layer）
功能：负责处理特定的应用程序之间的通信。应用层协议定义了应用程序之间的交互规则，例如网页浏览、电子邮件、文件传输等。
常见协议：HTTP（超文本传输协议）、HTTPS（安全超文本传输协议）、FTP（文件传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）、DNS（域名系统）等。

总结

TCP报文段的格式设计得非常精细，通过各种字段和机制，TCP能够实现可靠的数据传输、流量控制、拥塞控制等功能。这些字段和机制共同确保了TCP在复杂的网络环境中能够高效、可靠地传输数据。

posted @ 2025-07-28 10:22  cupid8505  阅读(252)  评论(0)    收藏  举报