一、概述

TCP是面向連接的可靠傳輸協(xié)議，兩個進程互發(fā)數(shù)據(jù)之前需要建立連接，這里的連接只不過是端系統(tǒng)中分配的一些緩存和狀態(tài)變量，中間的分組交換機不維護任何連接狀態(tài)信息。連接建立整個過程如下(即三次握手協(xié)議)：

首先，客戶機發(fā)送一個特殊的TCP報文段;

其次，服務器用另一個特殊的TCP報文段來響應;

***，客戶機再用第三個特殊報文段作為響應。

 

 

圖1 三次握手協(xié)議示意圖[1]

二、TCP報文格式

1、概述

為了提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，TCP報文首部字段有較多的字段，TCP報文格式如下圖：

 

 

圖2 TCP報文格式

源和目標端口

用于多路復用/多路分解來自或送至上層應用的數(shù)據(jù)，可以這樣理解，端口用來標識同一臺計算機的不同進程。

序列號和確認號

這兩個字段是TCP可靠傳輸服務的關鍵部分，序列號是該報文段首字節(jié)的字節(jié)流編號(TCP把數(shù)據(jù)看成是有序的字節(jié)流，TCP隱式地對數(shù)據(jù)流的每個字節(jié)進行編號)。這樣理解可能更直觀，當報文被分解成多個報文段時，序列號就是報文段首字節(jié)在整個報文的偏移量。確定號指定下一個期待的字節(jié)。TCP是全雙工的，假設從主機A接收到主機B的數(shù)據(jù)，則主機A填充進報文段的確認號是主機A期望從主機B收到的下一個字節(jié)序號。還沒理清這兩者的關系?見下圖(三次握手)：

 

 

圖3 正常情況下TCP連接建立過程

首部長度(4位)

因為選項是不定長的，這就需要標識整個首部字段的長度(單位是32位字)，即5+選項個數(shù)。4位，單位是32位字，所以首部最長是15*4=60字節(jié)，即選項最長是40字節(jié)(10個選項)。

標志

● URG

指示報文段里存在著被發(fā)送方的上層實體標記為"緊急"數(shù)據(jù)，當URG=1時，其后的緊急指針指示緊急數(shù)據(jù)在當前數(shù)據(jù)段中的位置(相對于當前序列號的字節(jié)偏移量)，TCP接收方必須通知上層實體。

● ACK

當ACK=0時，表示該數(shù)據(jù)段不包含確認信息，當ACK=1時，表示該報文段包括一個對已被成功接收報文段的確認。

● PSH

當PSH=1時，接收方在收到數(shù)據(jù)后立即將數(shù)據(jù)交給上層，而不是直到整個緩沖區(qū)滿。

● RST

用于重置一個已經(jīng)混亂的連接(如主崩潰)，也可用于拒絕一個無效的數(shù)據(jù)段或者拒絕一個連接請求。一般而言，如果你得到的數(shù)據(jù)段被設置了RST位，那說明你這一端有問題了。

● SYN

用于建立連接過程，在連接請求中，SYN=1和ACK=0表示該數(shù)據(jù)段沒有使用捎帶的確認域，而連接應答捎帶一個確認，即SYN=1和ACK=1。

注：捎帶是指對客戶機到服務器數(shù)據(jù)的確認被裝載在一個承載服務器到客戶機的數(shù)據(jù)報文段中。

● FIN

用于釋放一個連接，表示發(fā)送方已經(jīng)沒有數(shù)據(jù)要傳輸了。此時，接收方可能繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，好在SYN和FIN數(shù)據(jù)段都有序列號，從而保證了這兩種數(shù)據(jù)段以正確順序被處理。

● 窗口大小

用于流控制(確保連接的任何一方都不會過快地發(fā)送過量的分組而淹沒另一方)，窗口大小指定了從被確認的字節(jié)算起可以發(fā)送多少個字節(jié)。

● 校驗和

提供了額外可靠性，在計算檢驗和的時候，TCP的Checksum域設為0，如果數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)為奇數(shù)，則數(shù)據(jù)域填補一個額外的0字節(jié)。校驗和算法：將所有的16位字按1的補碼形式累加起來，取累加結果的補碼。因此，當接收方執(zhí)行同樣計算時(包括Checksum域)，結果應該是0。

● 緊急指針

參考標志字段的URG位。

● 選項

選項部分是為了適合復雜網(wǎng)絡環(huán)境和更好地服務于應用層設計的。TCP選項最長是40字節(jié)。詳情見2.2。

● 數(shù)據(jù)

無任何數(shù)據(jù)的TCP段也是合法的，通常用于確認和控制信息。#p#

2、選項字段

TCP選項部分很好出現(xiàn)在已經(jīng)建立連接的會話中，只要出現(xiàn)在TCP連接建立階段，即三次握手。TCP選項部分實際運用有以下幾種：

(1)***報文傳輸段(MMS, Maximum Segment Size)

用于發(fā)送發(fā)與接收方協(xié)商***報文段長度(僅僅是凈荷數(shù)據(jù)，不包括TCP首部字段)。TCP在三次握手中，每一方都會通告期望收到的MSS(MSS只出現(xiàn)在SYN數(shù)據(jù)包中)，如果一方不接受另一方的MSS值，則使用默認的536字節(jié)凈荷數(shù)據(jù)，即主機能夠接受20+536字節(jié)的TCP報文段。

(2)窗口擴大選項(Window scaling)

TCP報文的窗口大小字段占16位，即***值是65535，但隨著時延和帶寬比較大的通信產(chǎn)生(如衛(wèi)星通信)，需要更大的窗口滿足性能和吞吐率，這就是窗口擴大選項存在的意義。例子見參考資料[2]。

Windows scaling占3個字節(jié)，***一個字節(jié)是移位值(Shift count)，即首部的窗口位數(shù)16向左移動，如移位值為14，則新的窗口***值增大到65535*(2^14)。

窗口擴大選項是在TCP建立之初進行協(xié)商，如果已實現(xiàn)了窗口擴大，當不再需要擴大窗口時，發(fā)送移位值=0就可以恢復到原窗口大小，即65535。

(3)選擇確認選項(SACK, Selective Acknowledgements)

考慮這樣情況，主機A發(fā)送報文段12345，主機B收到135且報文無差錯，SACK用來確保只重傳缺少的報文段，而不是重傳所有報文段。

SACK選項需要2個功能字節(jié)，一個用來指明使用SACK選項(SACK Permission)，另一指明這個選項占多少字節(jié)。

那怎么形容丟失的報文段2，說明2的左右邊界分別是1、3。TCP的數(shù)據(jù)報文是有字塊邊界的，而這種邊界是由序列號表示的。

最多能指明多少個字節(jié)塊的邊界信息呢?答案是4個。這是因為選項字段***是40字節(jié)，去除2個功能字節(jié)，序列號是32位即4字節(jié)，并且需要左右邊界，所以(40-2)/8 = 4。

(4)時間戳選項(timestamps)

時間戳選項用來計算往返時間RTT，發(fā)送方在發(fā)送報文段時把當前時鐘的時間值放入時間戳字段，接收方將該時間戳字段的值復制到確認報文中，當接收方收到確認報文，對比確認報文的時間戳(等于發(fā)送方發(fā)送報文段的時間戳)和現(xiàn)在的時鐘，即可算出RTT。

時間戳選項還可用于防止回繞序號PAWS。序列號只有32位，每2^32個序列號就會回繞(想想環(huán)形隊列)，采用時間戳選項很容易區(qū)分相同序列號的報文段。

(5)NOP(NO-Operation)

TCP的頭部必須是4字節(jié)的倍數(shù)，而大多數(shù)選項不是4字節(jié)倍數(shù)，不足的用NOP填充。除此之外，NOP也用于分割不同的選項數(shù)據(jù)，如窗口擴大選項和SACK之間使用NOP隔離(下面的實例將看到這一點)。

三、實例解析

1、概述

還是以訪問百度首頁為例，首先用DNS協(xié)議將URL解析成IP地址，接著在客戶機和服務器間建立TCP連接，用Wireshark俘獲的分組如下圖：

 

 

圖4 Wireshark俘獲建立TCP連接分組

你一看會覺得有些奇怪，理論上應該是3個分組的，怎么有6個分組?先不急，先把這6個報文收發(fā)示意圖作出來(結合時間和報文含義)，如下：

 

 

圖5 TCP連接建立實例

從圖可知，連接建立伊始，客戶機發(fā)了兩個報文段，這也許是為了更快建立連接(假設有個請求報文段丟失，也不至于要等一段時間，重發(fā)報文)。接下來，以19、21、22(上圖紅色線條所示)分析TCP連接建立過程。

2、 ***次握手

Wireshark俘獲TCP連接***次握手的報文段如下：

圖6 TCP連接***次握手實例#p#

這里主要挑幾個字段分析：

標志字段，SYN=1、ACK=0表示該數(shù)據(jù)段沒有使用捎帶的確認域。

***報文段長度(MMS)1460是怎么來的，鏈路層的以太網(wǎng)物理特性決定數(shù)據(jù)幀長度為1500(即MTU，***傳輸單元)，1460=1500-20(IP首部長度)-20(TCP首部長度)。不要被該報文首部長度32字節(jié)所迷惑，這只是建立連接過程。MSS與MTU關系見下圖[2]：

 

 

圖7 MSS與MTU關系

NOP字段，可以作為不足4倍數(shù)字節(jié)填充，也可作為選項間分隔，該報文段出現(xiàn)了3個NOP，具體功能見下圖：

 

 

圖8 TCP報文NOP字段

3、第二次握手

服務器響應客戶端TCP報文段，此時確認號為1了，SYN=1、ACK=1表明連接應答捎帶一個確認，Wireshark俘獲分組如下：

 

 

圖9 TCP連接第二次握手實例

為什么MSS是1452而不是1460?這是因為使用PPPoE(Point-to-Point over Ethernet，可以使以太網(wǎng)的主機通過一個簡單的橋接設備連到一個無端的接入集中器上[3])撥號上網(wǎng)，PPoP首部是8個字節(jié)，所以PPPoE的MTU是1492，MSS也就為1492-40=1452。

那么，TCP連接建立后數(shù)據(jù)傳輸?shù)腗SS是多少呢，1460 or 1452 or 536 ?我的理解是默認值536，這樣理解對嗎?求指點!

4、第三次握手

客戶機再次服務器的報文段，此時序列號和確認號都為1，沒有選項字段，Wireshark俘獲的分組信息如下：

 

 

圖10 TCP連接第三次握手實例

值得注意的，因為窗口擴展大小協(xié)商未果，所以就不擴大窗口了，即窗口大小***為65535。如此，TCP連接建立。