实现tcp协议(tcp协议实现原理)

TCP/IP协议 TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol的简写，中文译名为传输控制协议/互联网络协议）协议是Internet最基本的协议，简单地说，就是由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成的。 通俗而言：TCP负责发现传输的问题，一有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地。而IP是给因特网的每一台电脑规定一个地址。1974年12月，卡恩、瑟夫的第一份TCP协议详细说明正式发表。当时美国国防部与三个科学家小组签定了完成TCP/IP的协议，结果由瑟夫领衔的小组捷足先登，首先制定出了通过详细定义的TCP/IP协议标准。当时作了一个试验，将信息包通过点对点的卫星网络，再通过陆地电缆，再通过卫星网络，再由地面传输，贯串欧洲和美国，经过各种电脑系统，全程9.4万公里竟然没有丢失一个数据位，远距离的可靠数据传输证明了TCP/IP协议的成功。

主要特点：面向连接、面向字节流、全双工通信、通信可靠。优缺点：应用场景：要求通信数据可靠时，即 数据要准确无误地传递给对方。如：传输文件：HTTP、HTTPS、FTP等协议；传输邮件：POP、SMTP等协议ps：首部的前 20 个字节固定，后面有 4n 字节根据需要增加。故 TCP首部最小长度 = 20字节（最大60个字节）。TCP报头中的源端口号和目的端口号同IP数据报中的源IP与目的IP唯一确定一条TCP连接。重要字段：客户端与服务器来回共发送三个TCP报文段来建立运输连接，三个TCP报文段分别为：（1）客户端A向服务器B发送的TCP请求报段“SYN=1,seq=x”；（2）服务器B向客户端A发送的TCP确认报文段“SYN=1,ACK=1,seq=y,ack=x+1”；（3）客户端A向服务器B发送的TCP确认报文段“ACK=1,seq=x+1,ack=y+1”。ps：在建立TCP连接之前，客户端和服务器都处于关闭状态（CLOSED）,直到客户端主动打开连接，服务器才被动打开连接（处于监听状态 = LISTEN）,等待客户端的请求。TCP 协议是一个面向连接的、安全可靠的传输层协议，三次握手的机制是为了保证能建立一个安全可靠的连接。通过上述三次握手，双方确认自己与对方的发送与接收是正常的，就建立起一条TCP连接，即可传送应用层数据。ps：因 TCP提供的是全双工通信，故通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据；三次握手期间，任何1次未收到对面的回复，则都会重发。为什么两次握手不行呢？结论：防止服务器接收了早已经失效的连接请求报文，服务器同意连接，从而一直等待客户端请求，最终导致形成死锁、浪费资源。ps：SYN洪泛攻击：（具体见下文）为什么不需要四次握手呢？SYN 同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers) 是 TCP/IP 建立连接时使用的握手信号。在客户机和服务器之间建立正常的 TCP 网络连接时，客户机首先发出一个 SYN 消息，服务器使用 SYN-ACK 应答表示接收到了这个消息，最后客户机再以 ACK确认序号标志消息响应。这样在客户机和服务器之间才能建立起可靠的 TCP 连接，数据才可以在客户机和服务器之间传递。如何来解决半连接攻击？如何来解决全连接攻击？请注意，现在 TCP 连接还没有释放掉。必须经过时间等待计时器设置的时间 2MSL（MSL：最长报文段寿命）后，客户端才能进入到 CLOSED 状态，然后撤销传输控制块，结束这次 TCP 连接。当然如果服务器一收到 客户端的确认就进入 CLOSED 状态，然后撤销传输控制块。所以在释放连接时，服务器结束 TCP 连接的时间要早于客户端。TCP是全双工的连接，必须两端同时关闭连接，连接才算真正关闭。简言之，客户端发送了 FIN 连接释放报文之后，服务器收到了这个报文，就进入了 CLOSE-WAIT 状态。这个状态是为了让服务器端发送还未传送完毕的数据，传送完毕之后，服务器才会发送 FIN 连接释放报文，对方确认后就完全关闭了TCP连接。举个例子：A 和 B 打电话，通话即将结束后，A 说“我没啥要说的了”，B回答“我知道了”，但是 B 可能还会有要说的话，A 不能要求 B 跟着自己的节奏结束通话，于是 B 可能又巴拉巴拉说了一通，最后 B 说“我说完了”，A 回答“知道了”，这样通话才算结束。ps：设想这样一个情景：客户端已主动与服务器建立了 TCP 连接。但后来客户端的主机突然发生故障。显然，服务器以后就不能再收到客户端发来的数据。因此，应当有措施使服务器不要再白白等待下去。这就需要使用TCP的保活计时器。基本原理：tcp11种状态及变迁其实基本包含在正常的三次握手和四次挥手中，除开CLOSING。正常的三次握手包括4中状态变迁：服务器打开监听(LISTEN)->客户端先发起SYN主动连接标识->服务器回复SYN及ACK确认->客户端再确认即三次握手TCP连接成功。这里边涉及四种状态及变迁：正常的四次握手包含6种tcp状态变迁，如主动发起关闭方为客户端：客户端发送FIN进入FIN_WAIT1 -> 服务器发送ACK确认并进入CLOSE_WAIT(被动关闭)状态->客户端收到ACK确认后进入FIN_WAIT2状态 -> 服务器再发送FIN进入LAST_ACK状态 -> 客户端收到服务器的FIN后发送ACK确认进入TIME_WAIT状态 -> 服务器收到ACK确认后进入CLOSED状态断开连接 -> 客户端在等待2MSL的时间如果期间没有收到服务器的相关包，则进入CLOSED状态断开连接。CLOSING状态：连接断开期间，一般是客户端发送一个FIN，然后服务器回复一个ACK，然后服务器发送完数据后再回复一个FIN，当客户端和服务器同时接受到FIN时，客户端和服务器处于CLOSING状态，也就是此时双方都正在关闭同一个连接。在进入CLOSING状态后，只要收到了对方对自己发送的FIN的ACK，收到FIN的ACK确认就进入TIME_WAIT状态，因此，如果RTT(Round Trip Time TCP包的往返延时)处在一个可接受的范围内，发出的FIN会很快被ACK从而进入到TIME_WAIT状态，CLOSING状态持续的时间就特别短，因此很难看到这种状态。我们知道网络层，可以实现两个主机之间的通信。但是这并不具体，因为，真正进行通信的实体是在主机中的进程，是一个主机中的一个进程与另外一个主机中的一个进程在交换数据。IP协议虽然能把数据报文送到目的主机，但是并没有交付给主机的具体应用进程。而端到端的通信才应该是应用进程之间的通信。应用场景：UDP协议比TCP协议的效率更高，TCP协议比UDP协议更加安全可靠。下面主要对数据传输出现错误/无应答/堵塞/超时/重复等问题。注意：TCP丢包：TCP是基于不可靠的网路实现可靠传输，肯定会存在丢包问题。如果在通信过程中，发现缺少数据或者丢包，那边么最大的可能性是程序发送过程或者接受过程中出现问题。总结：为了满足TCP协议不丢包，即保证可靠传输，规定如下：注意：TCP丢包有三方面的原因，一是网络的传输质量不好，二是安全策略，三是服务器性能瓶颈先理解2个基础概念：发送窗口、接收窗口工作原理：注意点：关于滑动窗口的知识点：滑动窗口中的数据类型：ARQ解决的问题：出现差错时，让发送方重传差错数据：即 出错重传类型：流量控制和拥塞控制解决的问题：当接收方来不及接收收到的数据时，可通知发送方降低发送数据的效率：即 速度匹配流量控制：注意：拥塞控制：慢开始与拥塞避免：快重传和快恢复：补充：流量控制和拥塞控制的区别什么情况造成TCP粘包和拆包？解决TCP粘包和拆包的方法：传输层无法保证数据的可靠传输，只能通过应用层来实现了。实现的方式可以参照tcp可靠性传输的方式，只是实现不在传输层，实现转移到了应用层。最简单的方式是在应用层模仿传输层TCP的可靠性传输。下面不考虑拥塞处理，可靠UDP的简单设计。https://www.jianshu.com/p/65605622234bhttp://www.open-open.com/lib/view/open1517213611158.htmlhttps://blog.csdn.net/dangzhangjing97/article/details/81008836https://blog.csdn.net/qq_30108237/article/details/107057946https://www.jianshu.com/p/6c73a4585eba

谈计算机网络TCP协议的仿真与实现TCP是计算机网络中运输层协议，连接着应用层和网络层，发挥着非常关键的作用。那么，计算机网络TCP协议的仿真与实现是?作为计算机网络中较为重要的一种运输层协议，TCP连接着应用层和网络层，发挥着非常关键的作用。在TCP/IP协议中，我们重点关注TCP。本文主要立足于TCP协议的特点，详细介绍了TCP协议的主要特性。一、TCP协议的概述(一) TCP协议的特点首先，TCP提供的连接服务稳定性有保证。相关的连接有着和打电弧相似的建立过程。先拨电话号码，当对方接通回复“喂”的时候，再告知对方自己是谁，完成任务后释放;其次，TCP提供连接必须是只针对两个客户端，也就是实现一对一的传输;最后，TCP提供全双工通信。这个特点就是保证通信的两端在使用TCP的时候可以随时通信，这样就可以及时传输数据。(二) TCP端口号和套接字地址TCP端口号：端口号只能对计算机中的进程进行标记，一般使用两个字节来完成标记工作，这也就是端口号的本地意义。当端口号并不是我们熟悉的状况时，要使用数值为1024～49151的等记端口号，使用的过程中要在UANA上登记，避免中间重复使用。无连接的UDP和TCP也有着自己的端口号，但是两个端口号彼此之间是相互独立的，各自有着不同的用途。套接字地址：CP中的套接字，一般在表达的过程中会用同一个名词表达不一样的含义。也就是说，当套接字被一个程序使用，那么socket函数中使用的函数以及调用它的端口都会叫做scocket。当紧急URG给系统发出有关紧急数据传输的通知时，相关的紧急数据应该作为优先级任务，尽快被传送。二、 TCP的连接与释放(一)建立连接全双工是TCP传输数据的主要方式，在整个过程中有三次握手的方式来完成对该项目的建立，并且TCP的连接和释放都是使用客户—服务器方式，连接的建立也是从服务器开始。首先将SYN设置为1，然后将数据包头部的那个确认字段设置为x+1，接下来将最开始的序列号放在数据包头部的数列中。当这个链接的数据段被接受之后，那么相应的数据段就会被送到缓冲区，同时，服务器也能够及时收到客户端从另外一边发来的数据段，最后完成相关输出的确认。(二) TCP的连接释放TCP传输数据的'主要方式是全双工，因此，数据传输结束后，所有的连接都会被释放，并且每个连接的释放都是单个放行的。首先，当被A发送的数据能够到达B，为了杜绝失效的报文段在文本中存在，最后一个一个ACK被发送完后，相关的环节就会处理。这种办法就能够及时高效地处理掉连接过程中请求报文段的问题。(三) TCP的连接复位一般情况下，有三种情况需要复位。首先，当TCP连接的端口并不存在时，另一端TCP就能发送一个报文段，这时需要关闭相关的连接;其次，如果一端的TCP出现一些异常情况，那么就可以通过发送复位来终止连接;最后一种情况是，当一端的TCP长时间没有使用，那么就可以发送复位信息报，将其关闭。(四) TCP拥塞控制TCP的拥塞控制是TCP工作中存在的一种现实问题，会对整个工作造成一定程度的影响，因此，必须针对这种情况进行改进。首先，慢启动和拥塞避免。TCP用来发送数据是慢启动和拥塞避免算法展开的依据，这种算法的实现必须通过在TCP中增加两个变量;其次，快恢复和快重传。这种主要是针对发送端展开的，多种网络会导致端口查收到重复ACK，因此，应该找到事故原因，及时处理。三、TCP的仿真实验(一)仿真实验的设置我们都知道TCP是有链接的可靠的传输层协议，所以在传输运用过程中也会出现错误。下面我们通过以下仿真实验，来了解TCP在传输FTP文件时一数据报丢失的情况，来详细分析下这一解决过程。我们用OPNET来做TCP的仿真实验，这只是在一个比较简单的环境下在做关于TCP的仿真实验，测试出数据图通过分析和比较来观察TCP处理数据丢失包的具体工作原理和过程。选择“结果- - > >安排Pannels显示所有“查看保存结果。顶部多媒体的快速decovery conquestion窗口由于“TCP雷诺”，在重新传输。这个conquestion窗口只是减少了一半，而不是1MSS，从而快速恢复。graphe的底部显示了发送之间的关系序列号码和收到seqment ack服务器上的数量。服务器故意把一个数据包给丢失，这时客户服务器就会发出三个ACK，会被重新发送。这时把FTP的Command Mix的值设置为100%，把Inter-Requests设置为constant 3600，把File Size设置为FTP，把Server，type of serveice值设置为best effort，把RSVP parameters值设置为 None;用NotUsed来设置Back-End Custom Application值。(二)仿真实验的过程针对TCP数据传输开始时，拥塞窗口设置为最大的MSS值，慢启动算法开始，cwnd被设置为200，那么400，800，1600.......以103S，拥塞窗口达到6500的最大阈值，为了不让拥塞窗口将不会太增加网络阻塞引起的，然后执行拥塞避免算法，每一个RTT，拥塞窗口将增加一个单位，然后在107s当FTP数据包丢失，然后进行处理，拥塞窗口的值下降，TCP协议在慢启动和拥塞避免算法的实现，窗口的大小增长将呈现线性增长。设置最大窗口阈值，根据3响应消息重复判断丢包，重传丢失的数据包和直接的阈值，为当前拥塞窗口6500的一半，这是快速重传(Tahoe)，然后转移到慢启动。然后再转入慢开始。在窗口大小到达大约80000后，应该是收到3个连续ACK，若根据3个重复的应答报文就会知道有没有丢包，而且丢失的分组会被重传，此时的ssthresh的值就为拥塞窗口的一半，这样就进入了进入拥塞避免阶段。(三)仿真实验小结用OPNET做TCP的仿真实验，数据包丢失，TCP数据的变化都被形象的描绘出来了，很好的诠释了这一失误和改正过程。为TCP以后出错改正做了很好的例子。四、结语综上所述，网络普及的这个时代，让我们不断地认识到了计算机网络的重要性，学生们也开始越来越重视对TCP的研究。在简单的OSI体系中，TCP发挥着较为重要的作用，因此，我们必须深入研究其工作原理，便于在运输层中顺利地运用TCP协议。 ;

TCP/IP协议（又名：网络通讯协议）即传输控制协议/互联网协议，是一个网络通信模型，以及一整个网络传输协议家族。这一模型是Internet最基本的协议，也是Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。 其定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。TCP负责发现传输的问题，而IP是给因特网的每一台联网设备规定一个地址。 为了减少网络设计的复杂性，大多数网络都采用分层结构。对于不同的网络，层的数量、名字、内容和功能都不尽相同。在相同的网络中，一台机器上的第N层与另一台机器上的第N层可利用第N层协议进行通信，协议基本上是双方关于如何进行通信所达成的一致。不同机器中包含的对应层的实体叫做对等进程。在对等进程利用协议进行通信时，实际上并不是直接将数据从一台机器的第N层传送到另一台机器的第N层，而是每一层都把数据连同该层的控制信息打包交给它的下一层，它的下一层把这些内容看做数据，再加上它这一层的控制信息一起交给更下一层，依此类推，直到最下层。最下层是物理介质，它进行实际的通信。相邻层之间有接口，接口定义下层向上层提供的原语操作和服务。相邻层之间要交换信息，对等接口必须有一致同意的规则。层和协议的集合被称为网络体系结构。每一层中的活动元素通常称为实体，实体既可以是软件实体，也可以是硬件实体。第N层实体实现的服务被第N+1层所使用。在这种情况下，第N层称为服务提供者，第N+1层称为服务用户。服务是在服务接入点提供给上层使用的。服务可分为面向连接的服务和面向无连接的服务，它在形式上是由一组原语来描述的。这些原语可供访问该服务的用户及其他实体使用。TCP是面向连接的通信协议，通过三次握手建立连接，通讯完成时要拆除连接，由于TCP是面向连接的所以只能用于端到端的通讯。TCP提供的是一种可靠的数据流服务，采用“带重传的肯定确认”技术来实现传输的可靠性。TCP还采用一种称为“滑动窗口”的方式进行流量控制，所谓窗口实际表示接收能力，用以限制发送方的发送速度。如果IP数据包中有已经封好的TCP数据包，那么IP将把它们向‘上’传送到TCP层。TCP将包排序并进行错误检查，同时实现虚电路间的连接。TCP数据包中包括序号和确认，所以未按照顺序收到的包可以被排序，而损坏的包可以被重传。TCP将它的信息送到更高层的应用程序，例如Telnet的服务程序和客户程序。应用程序轮流将信息送回TCP层，TCP层便将它们向下传送到IP层，设备驱动程序和物理介质，最后到接收方。 面向连接的服务（例如 Telnet、 FTP、 rlogin、 X Windows和 SMTP）需要高度的可靠性，所以它们使用了TCP。DNS在某些情况下使用TCP（发送和接收 域名数据库），但使用UDP传送有关单个主机的信息。

面向连接的TCP：“面向连接”就是在正式通信前必须要与对方建立起连接。比如你给别人打电话，必须等线路接通了、对方拿起话筒才能相互通话。TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是基于连接的协议，也就是说，在正式收发数据前，必须和对方建立可靠的连接。一个TCP连接必须要经过三次“对话”才能建立起来，其中的过程非常复杂，我们这里只做简单、形象的介绍，你只要做到能够理解这个过程即可。我们来看看这三次对话的简单过程：主机A向主机B发出连接请求数据包：“我想给你发数据，可以吗？”，这是第一次对话；主机B向主机A发送同意连接和要求同步（同步就是两台主机一个在发送，一个在接收，协调工作）的数据包：“可以，你什么时候发？”，这是第二次对话；主机A再发出一个数据包确认主机B的要求同步：“我现在就发，你接着吧！”，这是第三次对话。三次“对话”的目的是使数据包的发送和接收同步，经过三次“对话”之后，主机A才向主机B正式发送数据。TCP协议能为应用程序提供可靠的通信连接，使一台计算机发出的字节流无差错地发往网络上的其他计算机，对可靠性要求高的数据通信系统往往使用TCP协议传输数据。 面向非连接的UDP协议：“面向非连接”就是在正式通信前不必与对方先建立连接，不管对方状态就直接发送。这与现在风行的手机短信非常相似：你在发短信的时候，只需要输入对方手机号就可以了。UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是与TCP相对应的协议。它是面向非连接的协议，它不与对方建立连接，而是直接就把数据包发送过去！UDP适用于一次只传送少量数据、对可靠性要求不高的应用环境。比如，我们经常使用“ping”命令来测试两台主机之间TCP/IP通信是否正常，其实“ping”命令的原理就是向对方主机发送UDP数据包，然后对方主机确认收到数据包，如果数据包是否到达的消息及时反馈回来，那么网络就是通的。例如，在默认状态下，一次“ping”操作发送4个数据包。大家可以看到，发送的数据包数量是4包，收到的也是4包（因为对方主机收到后会发回一个确认收到的数据包）。这充分说明了UDP协议是面向非连接的协议，没有建立连接的过程。正因为UDP协议没有连接的过程，所以它的通信效果高；但也正因为如此，它的可靠性不如TCP协议高。QQ就使用UDP发消息，因此有时会出现收不到消息的情况。TCP协议和UDP协议各有所长、各有所短，适用于不同要求的通信环境。