传输控制协议(TCP)

2008-02-22 12:36:59来源：互联网阅读 ()

传输控制协议（Transmission Control Protocol, TCP）
TCP协议主为了在主机间实现高可靠性的包交换传输协议。本文将描述协议标准和实现的
一些方法。因为计算机网络在现代社会中已经是不可缺少的了，TCP协议主要在网络不可
靠的时候完成通信，对军方可能特别有用，但是对于政府和商用部门也适用。TCP是面向
连接的端到端的可靠协议。它支持多种网络应用程序。TCP对下层服务没有多少要求，它
假定下层只能提供不可靠的数据报服务，它可以在多种硬件构成的网络上运行。下面的
图是TCP在层次式结构中的位置，它的下层是IP协议，TCP可以根据IP协议提供的服务传
送大小不定的数据，IP协议负责对数据进行分段，重组，在多种网络中传送。
TCP的上面就是应用程序，下面是IP协议，上层接口包括一系列类似于操作系统中断的调
用。对于上层应用程序来说，TCP应该能够异步传送数据。下层接口我们假定为IP协议接
口。为了在并不可靠的网络上实现面向连接的可靠的传送数据，TCP必须解决可靠性，流
量控制的问题，必须能够为上层应用程序提供多个接口，同时为多个应用程序提供数据
，同时TCP必须解决连接问题，这样TCP才能称得上是面向连接的，最后，TCP也必须能够
解决通信安全性的问题。
网络环境包括由网关（或其它设备）连接的网络，网络可以是局域网也可以是一些城域
网或广域网，但无论它们是什么，它们必须是基于包交换的。主机上不同的协议有不同
的端口号，一对进程通过这个端口号进行通信。这个通信不包括计算机内的I/O操作，只
包括在网络上进行的操作。网络上的计算机被看作包传送的源和目的结点。特别应该注
意的是：计算机中的不同进程可能同时进行通信，这时它们会用端口号进行区别，不会
把发向A进程的数据由B进程接收的。
进程为了传送数据会调用TCP，将数据和相应的参数传送给TCP，于是TCP会将数据传送到
目的TCP那里，当然这是通过将TCP包打包在IP包内在网络上传送达到的。接收方TCP在接
收到数据后会通信上层应用程序，TCP会保证接收数据顺序的正确性。虽然下层协议可能
不会保证顺序是正确的。这里需要说明的是网关在接收到这个包后，会将包解开，看看
是不是已经到目的地了，如果没有到，应该走什么路由达到目的地，在决定后，网关会
根据下一个网络内的协议情况再次将TCP包打包传送，如果需要，还要把这个包再次分成
几段再传送。这个落地检查的过程是一个耗时的过程。从上面，我们可以看出TCP传送的
基本过程，当然具体过程可能要复杂得多。
在实现TCP的主机上，TCP可以被看成是一个模块，和文件系统区别不大，TCP也可以调用
一些操作系统的功能，TCP不直接和网络打交道，控制网络的任务由专门的设备驱动模块
完成。TCP只是调用IP接口，IP向TCP提供所有TCP需要的服务。通过下图我们可以更清楚
地看到TCP协议的结构。
上面已经说过了，TCP连接是可靠的，而且保证了传送数据包的顺序，保证顺序是用一个
序号来保证的。响应包内也包括一个序列号，表示接收方准备好这个序号的包。在TCP传
送一个数据包时，它同时把这个数据包放入重发队列中，同时启动记数器，如果收到了
关于这个包的确认信息，将此包从队列中删除，如果计时超时则需要重新发送此包。请
注意，从TCP返回的确认信息并不保证最终接收者接收到数据，这个责任由接收方负责。

每个用于传送TCP的通道都有一个端口标记，因为这个标记是由每个TCP终端确定的，因
此TCP可能不唯一，为了保证这个数值的唯一，要使用网络地址和端口号的组合达到唯一
标识的目的，我们称这个为了套接字（Socket），一个连接由连接两端的套接字标识，
本地的套接字可能和不同的外部套接字通信，这种通信是全双工的。
通过向本地端口发送OPEN命令及外部套接字参数建立连接，TCP返回一个标记这个连接的
名称，以后如果用户需要使用这个名称标记这个连接。为了保存这个连接的信息，我们
假设有一个称为传输控制块（Transmission Control Block，TCB）的东西来保存。OPE
N命令还指定这个连接的建立是主动请求还是被动等待请求。下面我们要涉及具体的功能
了，TCP段以internet数据报的形式传送。IP包头传送不同的信息域，包括源地址和目的
地址。TCP头跟在internet包头后面，提供了一些专用于TCP协议的信息。下图是TCP包头
格式图：
源端口：16位；
目的端口：16位
序列码：32位，当SYN出现，序列码实际上是初始序列码（ISN），而第一个数据字节是
ISN 1；
确认码：32位，如果设置了ACK控制位，这个值表示一个准备接收的包的序列码；
数据偏移量：4位，指示何处数据开始；
保留：6位，这些位必须是0；
控制位：6位；
窗口：16位；
校验位：16位；
优先指针：16位，指向后面是优先数据的字节；
选项：长度不定；但长度必须以字节记；选项的具体内容我们结合具体命令来看；
填充：不定长，填充的内容必须为0，它是为了保证包头的结合和数据的开始处偏移量能
够被32整除；
　
我们前面已经说过有一个TCB的东西了，TCB里有存储了包括发送方，接收方的套接字，
用户的发送和接收的缓冲区指针等变量。除了这些还有一些变量和发送接收序列号有关
：
发送序列变量
SND.UNA - 发送未确认
SND.NXT - 发送下一个
SND.WND - 发送窗口
SND.UP - 发送优先指针
SND.WL1 - 用于最后窗口更新的段序列号
SND.WL2 - 用于最后窗口更新的段确认号
ISS - 初始发送序列号
　
接收序列号
RCV.NXT - 接收下一个
RCV.WND - 接收下一个
RCV.UP - 接收优先指针
IRS - 初始接收序列号
下图会帮助您了解发送序列变量间的关系：
当前段变量
SEG.SEQ - 段序列号
SEG.ACK - 段确认标记
SEG.LEN - 段长
SEG.WND - 段窗口
SEG.UP - 段紧急指针
SEG.PRC - 段优先级
连接进程是通过一系列状态表示的，这些状态有：LISTEN，SYN-SENT，SYN-RECEIVED，
ESTABLISHED，FIN-WAIT-1，FIN-WAIT-2，CLOSE-WAIT，CLOSING，LAST-ACK，TIME-WAI
T和 CLOSED。CLOSED表示没有连接，各个状态的意义如下：
LISTEN - 侦听来自远方TCP端口的连接请求；
SYN-SENT - 在发送连接请求后等待匹配的连接请求；
SYN-RECEIVED - 在收到和发送一个连接请求后等待对连接请求的确认；