计算机网络：运输层 - TCP首部格式连接的创建与释放

计算机网络：运输层 - TCP首部格式 & 连接的创建与释放

- TCP首部格式
- - 源端口目的端口
  - 序号
  - 确认号
  - 数据偏移
  - 保留
  - 控制位
  - 窗口
  - 检验和
  - 紧急指针
- TCP连接创建 - 三次握手
- TCP传输过程
- TCP连接释放 - 四次挥手

TCP首部格式

TCP的首部如下：

在这里插入图片描述

首部的前20 byte是固定的，后面的选项字段可变。

源端口目的端口

源端口和目的端口各占2 byte，即填入通信的两个进程使用的端口号。

序号

占4 byte，范围是 ${\red{[0, 2^{32} - 1]}}$ ，TCP是面向字节流的，在TCP中传输的每一个字节都要按顺序进行编号。整个传输过程中，第一个字节的值是任意的，由发送方随机设定，后续所有字节都由第一个字节的编号以及偏移量得出。比如整个TCP连接中，第一个字节编号为x，那么第201个字节的编号就是x + 201。

如果某个字节在编号时，超出了 $2^{32} - 1$ ，此时从0开始重新计数。

确认号

占4 byte，含义是：期望收到对方下一个报文段的第一个字节的序号。

例如，主机B收到了来自A的编号为501的数据报，数据报长度为200。这说明主机B收到了编号为501 - 700字节的数据。那么主机B接下来就期望收到701开始的数据，此时确认号就设为701。

若确认号为 n，说明 n - 1 及之前的所有数据都已经收到了

数据偏移

占4 bit，其含义为：报文起始处到数据起始处的距离，简单理解就是整个首部的长度。

由于TCP带有填充字段，所以长度是不确定的，需要该字段来指明长度。另外的，由于只占该字段只占4 bit，能表示的范围是 ${\red{[0, 2^{4} - 1]}}$ ，也就是[0, 15]，而数据偏移字段以4 byte为单位。所以整个首部的长度最长为60 byte，进而说明选项字段的长度不超过40 byte。

保留

占6 bit，目前没有用，使用时设为全0。

控制位

接着就是连续的留个控制位。

紧急 URG：当URG = 1，表明紧急指针字段有效，告诉系统此报文有紧急数据，需要尽快传送，此时该报文就无需排队，直接插入到队列的首部立马发送出去。

确认 ACK：当ACK = 1时，确认号字段才有效。TCP规定：在连接建立后所有的传送报文段，ACK必须置为1。

推送 PSH：发送该报文后，如果希望尽快收到对方的回应，就可以PSH = 1。接受方收到该报文后，会立刻把该报文提交给应用进程，而不是等到接收缓存满了才提交。

复位 RST：当RST = 1，表示TCP连接出现重大差错，必须释放连接。也可以用来拒绝一个连接或报文段。

同步 SYN：用于建立连接

当SYN = 1并且ACK = 0，表明这是一个连接请求报文，(ACK = 0的情况，一般来说整个TCP连接只有此处ACK = 0)
当SYN = 1并且ACK = 1，表明这是一个连接同意报文

终止 FIN：用于释放一个连接，当FIN = 1，表明这是一个释放连接的报文

窗口

占2 byte，用于指明自己的接收窗口，对方收到该报文后，读取窗口字段，就知道自己接下来可以发送多少数据了。

检验和

占2 byte，检验范围包括首部和数据两部分，与UDP一样，在计算检验和时，要加上伪首部。

如图：

在这里插入图片描述

只有计算检验和时才会存在伪首部，实际上其不存在，TCP 数据报中只有首部和数据。

紧急指针

占2 byte，仅在URG = 1时才有效。当URG = 1，说明这是一个紧急的报文，此时要立刻发出去，整个数据报会插队到其他数据报的前面。那么计算机怎么知道这个紧急报文的长度是多少？

此时就需要紧急指针字段，其指明了本报文中紧急数据的字节数，当把所有紧急数据处理完后，就要恢复正常状态，把之前的数据发送出去。而什么时候紧急数据发送完，就是依靠紧急指针字段指明的紧急数据的字节数。

讲解完报文的格式后，我们来讲解TCP连接的创建与释放。后续会用到一些标识符，接下来我解释一下每个标识符对应数据报首部的哪一个字段：

seq：对应首部中的序号字段，指明希望收到的下一个数据的序号是什么
ack：对应首部中的确认号字段，表明xxx之前的所有数据都已经收到了
ACK：对应首部中的确认位字段，表明确认号有效
SYN：对应首部中的同步位字段，用于创建TCP连接
FIN：对应首部中的终止位字段，用于终止TCP连接

TCP连接创建 - 三次握手

假设现有一台客户主机A，一台服务器主机B，现在A申请向B发起TCP连接。

处于创建连接的过程中，SYN就起作用了，如图：

在这里插入图片描述

首先令SYN = 1，表明当前正在创建连接，创建连接的报文分两种情况：

当SYN = 1并且ACK = 0，表明这是一个连接请求报文，(ACK = 0的第一种情况)
当SYN = 1并且ACK = 1，表明这是一个连接同意报文

当前A正在发起连接的请求，所以此时ACK = 0，注意：后续只要不标明的位，都是0。

而发送数据是要对每个字节进行编号的，第一个字节的编号由主机随机生成，此时seq = x表明：第一个字节的编号为x。

当A发起请求后，此时B就要同意这个连接：

在这里插入图片描述

同意连接是SYN = 1，ACK = 1，表明当前报文用于同意一个连接。此时主机B也要生成第一个字节的编码，也就是seq = y。

B在回应时，还有一个字段ack = x + 1，ack表示：我希望收到的下一个数据的编号。

比如说某一次报文发送时，第一个字节的编号为666，总数据长度为200 byte，那么接收方就收到了[666, 865]的所有数据，此时回应报文为ack = 866表明下一个数据的编号为866。

那么目前来说刚刚TCP请求报文的编号为seq = x，现在我回应ack = x + 1，是不是可以理解为：整个TCP请求报文只携带一个字节的数据呢？

TPC规定：SYN = 1的报文不允许携带数据，但是消耗掉一个seq

其实SYN = 1的报文不携带数据部分，但是TCP强制规定了其要消耗掉一个seq，因此刚刚序号x视为被消耗了，下一个字节的序号为x + 1。

当A收到B的确认后，此时A也要再给B做一次确认：

在这里插入图片描述

这个确认，是对第二个报文的确认，此时SYN = 0，因为其既不是连接请求，也不是连接同意。ACK = 1表明ack字段有效。seq = x + 1，因为第一个报文seq = x，并且SYN = 1要消耗掉一个需要，此时就用下一个序号x + 1。

ack = y + 1是因为，刚刚B发送的报文seq = y，而SYN = 1要消耗掉一个序号，此时希望收到的下一个序号为y + 1。

接下来考虑一个问题：为什么需要三次报文交换才能建立连接？明明A发送一个请求，B发送一个同意，就表明双方都准备建立连接了，为什么不直接开始传输数据，而是还要第三次确认？

这是因为在B发送第二个同意报文后，A可能还没准备好接收数据。比如说B发送的同意报文丢失了，此时A还在等待B的同意，而B以为A已经可以发送数据了。结果B发送了一段数据后，A根本不接收，因为A在等B的同意。此时就是A没有准备好。

因此A要发送第三个报文，来表明自己已经准备好了，对面可以开始发送数据了。

另外的，第三个报文是可以携带数据的，此时A发送第三个报文时，表明连接建立完毕了，于是A就顺带可以把一部分数据先通过该报文传输过去！

对于FIN = 0，SYN = 0且ACK = 1的报文，可以携带数据，携带多少数据就消耗多少序号，如果不携带数据，就不消耗序号

现在连接已经创建完毕，就可以正常数据传输了！

TCP传输过程

很多地方都只讲了连接创建与释放的过程，反而没有说明传输的过程。其实这个过程也很重要，本博客再简单讲解一下传输的过程。

如图所示：

在这里插入图片描述

现在TCP连接建立时，第三个报文携带了100个数据（data用于说明这个报文携带了多少数据）。

随后A又紧接着发送了300个数据：

在这里插入图片描述

此时seq = x + 101，这是因为刚刚的第三个报文携带了100 byte的数据，其中第一个字节的编号为x + 1，说明我已经把[x + 1, x + 100]的数据发出去了，接下来的300字节，第一个编号就是x + 101了。

而ack = y + 1，这是因为上一次收到B的报文是SYN = 1，ACK = 1的连接同意报文，序号为y，消耗掉一个序号后变为y + 1，即下一个希望收到的编号为y + 1。

随后B发送了一个长度为200 byte的报文：

在这里插入图片描述

此时seq = y + 1，这是因为上一次B发送的报文是seq = y，而SYN = 1消耗掉一个序号，这次第一个字节使用的序号为y + 1。ack = x + 401表明[x, x + 400]的所有数据都收到了，下一个希望收到的序号是x + 401，

随后A再发送一个100 byte的报文：

在这里插入图片描述

这时seq = x + 401，因为之前发送了[x, x + 400]的数据，下一个字节编号为x + 401。ack = y + 201表明[y, y + 200]的数据都受到了。

以此类推，直到连接释放。

TCP连接释放 - 四次挥手

当TCP连接传输数据完毕，此时就可以释放连接了。

TCP连接释放可以由任意一方发起，假设现在A发起释放连接：

在这里插入图片描述

首先要把FIN = 1，表明A发起了一个释放连接的请求。而seq = u，表明当前的报文编号为u，也说明之前A传输的最后一个字节编号为u - 1。ack = v，表明A收到的来自B的最后一个字节是u。

A发起释放连接的请求，只说明A要传送的数据已经完毕了，可以释放连接了。但是B可能还有没有传送完的数据：

在这里插入图片描述

首先B发送一个ACK报文，表明自己已经收到了刚刚FIN = 1的报文。

TCP规定：FIN = 1的报文，就算不携带数据也要消耗一个序号

A发送的连接释放报文中，FIN = 1并且不携带数据，那么也要消耗掉一个序号。因此B希望收到的下一个序号是u + 1。

如果B收到该报文，那么ack = u + 1，否则ack = u，这样发送方就可以根据下一个报文得知B有没有收到连接释放的请求包围了。

随后B可以继续发送自己之前没发完的数据，这期间B发送的报文FIN = 0，表明B还有数据要发，没这么快终止连接。

剩下B发送的所有报文中ack = u + 1，因为刚刚A发送了一个FIN = 1的报文。

而seq = v，表明自己现在发送的数据中，第一个字节序号为v。

当B传输完自己的所有数据后，在发送释放连接的同意报文：

在这里插入图片描述

FIN = 1表明这是一个连接释放的报文，在两个FIN = 1的报文中间，B还发了一些报文，导致序号一直增加，假设现在增加到了w，那么seq = w。

当B发送完最后一个FIN = 1的连接释放报文后，A最后发送一个确认报文：

在这里插入图片描述

这是因为B无法保证自己发出去的报文A一定可以接收到，如果B发送的FIN = 1的报文丢失了，此时B以为自己以为结束TCP连接，而A还在一直等待B发出FIN = 1的报文。所以要对这个FIN = 1的报文最后做一次确认。

当这四个报文传输完毕，A不能直接结束，而要等待2 MSL：

在这里插入图片描述

MSL（Maximum Segment Lifetime，最大报文段生存时间）：指的是一个 TCP 报文在网络中存活的最长时间。

这是因为A传送的最后一个确认报文也有可能丢失，B如过发现A没有回应，超时计时器结束就重传FIN = 1的报文。而这个报文一定可以在2 * MSL期间到达，所以如果A在2MSL期间没有收到B的报文，说明最后一个报文B收到了，可以释放连接了。