tcp流程(TCP通信流程)

最近重新认知了一下TCP和UDP的原理以及区别，做一个简单的总结。首先，tcp和udp都是工作在传输层，用于程序之间传输数据的。数据一般包含：文件类型，视频类型，jpg图片等。TCP是基于连接的，而UDP是基于非连接的。tcp传输数据稳定可靠，适用于对网络通讯质量要求较高的场景，需要准确无误的传输给对方，比如，传输文件，发送邮件，浏览网页等等udp的优点是速度快，但是可能产生丢包，所以适用于对实时性要求较高但是对少量丢包并没有太大要求的场景。比如：域名查询，语音通话，视频直播等。udp还有一个非常重要的应用场景就是隧道网络，比如：VXLAN以人与人之间的通信为例：UDP协议就相当于是写信给对方，寄出去信件之后不能知道对方是否收到信件，信件内容是否完整，也不能得到及时反馈，而TCP协议就像是打电话通信，在这一系列流程都能得到及时反馈，并能确保对方及时接收到。如下图：tcp是如何保证以上过程的？分为三个步骤：三次握手，传输确认，四次挥手。三次握手是建立连接的过程。当客户端向服务端发起连接时，会先发一包连接请求数据，过去询问一下，能否与你建立连接？这包数据称之为SYN包，如果对端同意连接，则回复一包SYN+ACK包，客户端收到之后，发送一包ACK包，连接建立，因为这个过程中互相发送了三包数据，所以称之为三次握手。这是为了防止，因为已失效的请求报文，突然又传到服务器，引起错误，这是什么意思？假设采用两次握手建立连接，客户端向服务端发送一个syn包请求建立连接，因为某些未知的原因，并没有到达服务器，在中间某个网络节点产生了滞留，为了建立连接，客户端会重发syn包，这次的数据包正常送达，服务端发送syn+ack之后就建立起了连接。但是第一包数据阻塞的网络突然恢复，第一包syn包又送达到服务端，这时服务端会认为客户端又发起了一个新的连接，从而在两次握手之后进入等待数据状态，服务端认为是两个连接，而客户端认为是一个连接，造成了状态不一致，如果在三次握手的情况下，服务端收不到最后的ack包，自然不会认为连接建立成功。所以三次握手本质上来说就是为了解决网络信道不可靠的问题，为了在不可靠的信道上建立起可靠的连接，经过三次握手之后，客户端和服务端都进入了数据传输状态。一包数据可能会被拆成多包发送，如何处理丢包问题，这些数据包到达的先后顺序不同，如何处理乱序问题？针对这些问题，tcp协议为每一个连接建立了发送缓冲区，从建立链接后的第一个字节的序列号为0，后面每个字节的序列号就会增加1，发送数据时，从数据缓冲区取一部分数据组成发送报文，在tcp协议头中会附带序列号和长度，接收端在收到数据后需要回复确认报文，确认报文中的ack等于接受序列号加长度，也就是下包数据发送的起始序列号，这样一问一答的发送方式，能够使发送端确认发送的数据已经被对方收到，发送端也可以发送一次的连续的多包数据，接受端只需要回复一次ack就可以了。如图：六、四次挥手：处于连接状态的客户端和服务端，都可以发起关闭连接请求，此时需要四次挥手来进行连接关闭。假设客户端主动发起连接关闭请求，他给服务端发起一包FIN包，标识要关闭连接，自己进入终止等待1装填，服务端收到FIN包，发送一包ACK包，标识自己进入了关闭等待状态，客户端进入终止等待2状态，这是第二次挥手，服务端此时还可以发送未发送的数据，而客户端还可以接受数据，待服务端发送完数据之后，发送一包FIN包，最后进入确认状态，这是第3次挥手，客户端收到之后恢复ACK包，进入超时等待状态，经过超时时间后关闭连接，而服务端收到ACK包后，立即关闭连接，这是第四次挥手。为什么客户端要等待超时时间？这是为了保证对方已经收到ACK包，因为假设客户端发送完最后一包ACK包后释放了连接，一旦ACK包在网络中丢失，服务端将一直停留在 最后确认状态，如果等待一段时间，这时服务端会因为没有收到ack包重发FIN包，客户端会响应 这个FIN包进行重发ack包，并刷新超时时间，这个机制跟第三次握手一样。也是为了保证在不可靠的网络链路中进行可靠的连接断开确认。udp:首先udp协议是非连接的，发送数据就是把简单的数据包封装一下，然后从网卡发出去就可以了，数据包之间并没有状态上的联系，正因为udp这种简单的处理方式，导致他的性能损耗非常少，对于cpu，内存资源的占用也远小于tcp，但是对于网络传输过程中产生的丢包，udp并不能保证，所以udp在传输稳定性上要弱于tcp。所以，tcp和udp的主要区别：tcp传输数据稳定可靠，适用于对网络通讯质量要求较高的场景，需要准确无误的传输给对方。比如，传输文件，发送邮件，浏览网页等等，udp的优点是速度快，但是可能产生丢包，所以适用于对实时性要求较高但是对少量丢包并没有太大要求的场景。比如：域名查询，语音通话，视频直播等。udp还有一个非常重要的应用场景就是隧道网络，比如：VXLAN.

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。

TCP有以下几个知识点。图片备用地址图片备用地址TCP的几个要点：可靠传输、流量控制、拥塞控制、连接管理（建立和释放连接）。也正因为这几点使得首部变得很复杂。占4位，取值范围是0x0101 ~ 0x1111。乘以4就是首部长度（Header Length）。所以取值范围是5 ~ 60字节，由于首部固定部分占用20字节，所以可选部分至多占用40字节（和网络层首部一样）。为什么叫数据偏移？因为相对TCP报文向右偏移首部长度后就是数据部分。UDP的首部中有个16位的字段记录了整个UDP报文段的长度（首部 + 数据）。但是，TCP的首部中仅仅有个4位的字段记录了TCP报文段的首部长度，并没有字段记录TCP报文段的数据长度。分析：UDP首部中占16位的长度字段是冗余的，纯粹是为了保证首部是32bit对齐。TCP/UDP的数据长度，完全可以由IP数据包的首部推测出来，传输层的数据长度 = 网络层的总长度 - 网络层的首部长度 - 传输层的首部长度。占6位，目前全为0。与UDP一样，TCP检验和的计算内容：伪首部 + 首部 + 数据。伪首部占用12字节，仅在计算检验和时起作用，并不会传递给网络层。图片备用地址一共占6位或9位。有些资料中，TCP首部的保留（Reserved）字段占3位，标志（Flags）字段占9位。Wireshark中也是如此。是因为标志位中的前3位是无用的，所以两种说法都不能说是错的。图片备用地址图片备用地址意思：紧急。当URG=1时，紧急指针字段才有效。表明当前报文段中有紧急数据，应优先尽快传送。紧急指针存放的是长度值，表示TCP的前多少字节是需要紧急优先处理的。意思：确认。当ACK=1时，确认号字段才有效。意思：推。一般用在交互式网络中。PUSH标志位所表达的是发送方通知接收方传输层应该尽快的将这个报文段交给应用层。意思：重置。当RST=1时，表明连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立连接。意思：同步。当SYN=1 & ACK=0时，表明这是一个建立连接的请求。若对方同意建立连接，则回复SYN=1 & ACK=1。请求方再发送SYN=0 & ACK=1时表明开始传输数据。这也是三次握手的流程。意思：完成。表明数据已经发送完毕，要求释放连接。占4字节。首先，传输的每一个字节都会有一个编号（连续的字节编号也是连续的）。在建立连接后，序号代表这一次传给对方的TCP数据部分的第一个字节的编号。占4字节。在建立连接后，确认号代表期望对方下一次传过来的TCP数据部分的第一个字节的编号。占2字节。这个字段有流量控制功能，用以告知对方下一次允许发送的数据大小（字节为单位）。ARQ(Automatic Repeat-reQuest), 自动重传请求。图片备用地址无差错情况A发送数据M1到B，B收到数据M1后向A发送确认信号M1；A收到确认信号M1后，继续向B发送数据M2，B接收后向A发送确认信号M2。超时重传A发送数据M1到B，A在发送数据途中丢包或B发现数据M1有错误直接丢掉，导致B无法向A发送确认信号M1；A在一定时间间隔后发现没有收到B发送的确认信号M1，A会继续向B发送数据M1；B收到数据M1后向A发送确认信号M1，A收到确认信号M1后，继续向B发送M2数据。通过确认与超时重传机制实现可靠传输，在发送完一个分组后，必须暂时保留已发送的分组的副本。分组和确认分组都必须进行编号。超时计时器的重传时间应当比数据在分组传输的平均往返时间更长一些。图片备用地址确认丢失A发送数据M1到B，B接收到数据M1后，向A发送确认信号M1；B在向A发送确认信号M1中途丢包，此时A在一定时间间隔后发现没有收到B发送的确认信号M1，A会继续向B发送数据M1；B收到数据M1后会丢弃重复的数据M1（之前已经收到数据M1，只是A不知道），继续向A发送确认信号M1；A收到确认信号M1后，继续开始发送M2数据。确认迟到A发送数据M1到B，B接收到数据M1后，向A发送确认信号M1；B在向A发送确认信号M1时，由于网络延迟等原因导致A在一定时间段内未收到确认信号；A会继续向B发送数据M1，B收到数据M1后丢弃重复的数据M1，并向A发送确认信号M1；A收到确认信号M1后，继续开始发送M2数据，M2数据刚发送出去，此时A刚好接收到B在第一次发送的确认信号M1，但由于之前已经成功接收并处理了第二次的确认信号M1，所以A在收到确认信号后什么也不做。出现差错或丢失的时候，发送方会将自己备份的副本再重传一次，直到收到接收的确认信息。当接收方收到重复的数据时，会直接丢弃，但是会给发送方请确认自己已经收到了。上面的停止等待协议每发送一组数据就必须等到接收方回复确认后，再发起第二组数据，如果出现超时重传的话，效率更低。因此为了提高传输的效率，改进了等待传输协议。连续ARQ协议和滑动窗口协议的机制是以接收方回复确认为单位，每次连续发送一个滑动窗口指定的数据组。图片备用地址A发送数据给B时，一次性发送M1~M4（A和B建立连接时，B告诉A自己的缓存池可以容纳多少字节数据，A根据这个缓存池的大小构建一个同大小的发送窗口–也可以理解为发送缓存池），此时A开始等待确认，B收到全部数据后会向A发送确认信号M4（以最后一个编号为准）；A收到确认信号后，继续向B发送M5 M8（A把之前构建的窗口滑动并锁定到对应大小的数据段上，即M5 M8），以此往复直到数据传输完毕。如果接收窗口最多能接收4个包（窗口大小），但发送方只发了2个包，接收方如何确定后面还有没有2个包？答案：接收方会在等待一定时间后发现没有第3个包，就会返回收到2个包的确认信号给发送方。滑动窗口是由发送方维护的类似指针的变量，在每收到一个接收方的确认消息后，该指针向前移动并发送数据，到窗口指定大小的数据组时停下，等待接收方的确认。图片备用地址累积确认机制： 发送方不对收到的分组逐个发送确认，而是对按序到达的最后一个分组发送确认，这样就表示：到这个分组为止的所有分组都已正确收到了。优点：容易实现，即使确认丢失也不必重传。缺点：不能向发送方反映出接收方已经正确收到的所有分组的信息。Go-back-N（回退 N）： 为了解决上述同一窗口中数据组不能完整确认的问题，连续ARQ协议采用了回退机制。比如说：发送方发送了前5个分组，而中间的第3个分组丢失了。这时接收方只能对前两个分组发出确认。发送方无法知道后面三个分组的下落，而只好把后面的三个分组都再重传一次。这就叫做 Go-back-N（回退 N），表示需要再退回来重传已发送过的N个分组。结论：当通信线路质量不好时，连续ARQ协议会带来负面的影响。可能还不如传统的停止等待协议。TCP连接的每一端都必须设有两个窗口——一个发送窗口和一个接收窗口。TCP的可靠传输机制用字节的序号进行控制。TCP所有的确认都是基于序号而不是基于报文段。TCP两端的四个窗口经常处于动态变化之中。TCP连接的往返时间RTT也不是固定不变的。需要使用特定的算法估算较为合理的重传时间。滑动窗口是面向字节流的，为了方便记住每个分组的序号，现在假设有一个1200字节的数据，分12组，每一组数据是100个字节，代表一个数据段的数据（每一个数据都有自己的TCP首部），每一组给一个编号（1~12）。图片备用地址图片备用地址TCP通信时，如果发送序列中间某个数据包丢失，TCP会通过重传最后确认的分组后续的分组，这样原先已经正确传输的分组也可能重复发送，降低了TCP性能。SACK（Selective Acknowledgment，选择确认）技术，使TCP只重新发送丢失的包，不用发送后续所有的分组，而且提供相应机制使接收方能告诉发送方哪些数据丢失，哪些数据已经提前收到等。在建立TCP连接时，就要在TCP首部的选项中加上“允许SACK”的选项，而双方必须都事先商定好。原来首部中的“确认号字段”的用法仍然不变。只是以后在TCP报文段的首部中都增加了SACK选项，以便报告收到的不连续的字节块的边界。图片备用地址Kind：占1个字节，值为5代表这是SACK选项。Length：占1个字节，表明SACK选项一共占用多少字节。Left Edge：占4个字节，左边界。Right Edge：占4个字节，右边界。图片备用地址上图的着色模块代表已接收数据，空白代表未接收数据。左右边界意思是会把未接收完毕的TCP数据包的已接收数据进行左右标记。由于TCP的选项不能超过40个字节，去除Kind和Length占用的2个字节，还剩下38个字节给左右边界使用。一组边界占用8个字节（左右边界各占4个字节），所以边界不能超过4组。也能够因此推断出SACK选项的最大占用字节数是4 * 8 + 2 = 34。思考：超过选项边界的数据怎么办？超过边界的数据需要重新传输，但这已经很大程度提高了传输效率。重传机制是TCP中最重要和最复杂的问题之一。TCP每发送一个报文段，就对这个报文段设置一次计时器。只要计时器设置的重传时间到但还没有收到确认，就要重传这一报文段。那么这个重传时间到底应该设置多少呢？建议跳过，有兴趣的可以去查阅相关资料。图片备用地址为什么选择在传输层就将数据分割成多个段，而不是等到网络层再分片传递给数据链路层？-->网络层没有可靠传输协议，丢包无法只发送一个报文段，所以需要分割成多个段。如果在传输层不分段，一旦出现数据丢失，整个传输层的数据都得重传如果在传输层分段了，一旦出现数据丢失，只需要重传丢失的那些段即可欢迎大家的意见和交流email: li_mingxie@163.com

TCP握手协议 ：在TCP/IP协议中,TCP协议提供可靠的连接服务,采用三次握手建立一个连接。1、第一次握手：建立连接时,客户端发送syn包(syn=j)到服务器,并进入SYN_SEND状态,等待服务器确认； SYN：同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers)2、第二次握手：服务器收到syn包,必须确认客户的SYN（ack=j+1）,同时自己也发送一个SYN包（syn=k）,即SYN+ACK包,此时服务器进入SYN_RECV状态；3、第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包,向服务器发送确认包ACK(ack=k+1),此包发送完毕,客户端和服务器进入ESTABLISHED状态,完成三次握手。完成三次握手,客户端与服务器开始传送数据。所谓的三次握手（three times handshake；three-way handshaking）即对每次发送的数据量是怎样跟踪进行协商使数据段的发送和接收同步，根据所接收到的数据量而确定的数据确认数及数据发送、接收完毕后何时撤消联系，并建立虚连接。为了提供可靠的传送，TCP在发送新的数据之前，以特定的顺序将数据包的序号，并需要这些包传送给目标机之后的确认消息。TCP总是用来发送大批量的数据。当应用程序在收到数据后要做出确认时也要用到TCP。
1.TCP协议在七层结构之中的第四层，也就是传输层。它就是著名的“数据传输控制协议”，是网络协议中应用最广泛的协议之一。 2.TCP协议建立连接，产生会话，面向字节流，进行可靠的传输，确保数据从一个节点完整的到另外一个节点。 3.传输数据之前，客户端首先向服务器端发送一个SYN=1（触发标志）的触发数据包，等待服务器端的确认。
1.三次握手建立连接： 第一次握手：客户端发送syn包(seq=x)到服务器，并进入syn_send
建立TCP连接时，被动打开一端在收到对端SYN前所处的状态为（ ）。

这部分简要介绍一下TCP/IP的内部结构，为讨论与互联网有关的安全问题打下基础。TCP/IP协议组之所以流行，部分原因是因为它可以用在各种各样的信道和底层协议（例如T1和X.25、以太网以及RS-232串行接口）之上。确切地说，TCP/IP协议是一组包括TCP协议和IP协议，UDP（User Datagram Protocol）协议、ICMP（Internet Control Message Protocol）协议和其他一些协议的协议组。CP/IP协议的组成TCP/IP协议在一定程度上参考了OSI的体系结构。OSI模型共有七层，从下到上分别是物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层。（1）应用层、表示层、会话层三个层次提供的服务相差不是很大，所以在TCP/IP协议中，它们被合并为应用层一个层次。（2）由于运输层和网络层在网络协议中的地位十分重要，所以在TCP/IP协议中它们被作为独立的两个层次。以上内容参考：百度百科-TCP/IP协议
TCP/IP协议工作原理： 中译名为传输控制协议/因特网互联协议，又名网络通讯协议，是Internet最基本的协议、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。TCP/IP 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。协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。 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。
(1) 在源主机上应用层将一串字节流传给传输层； (2) 传输层将字节流分成TCP段，加上TCP包头交给互联网络(IP)层；(3) IP层生成一个包，将TCP段放人其数据域，并加上源和目的主机的IPIP包交给数据链路层；(4) 数据链路层在其帧的数据部分装IP包，发往日的主机或IP路由器；(5) 在目的主机，数据链路层将数据链路层帧头去掉，将IP包交给互联网层；(6) IP层检查IP包头，如果包头中的校验和与计算出来的不一致，则丢弃该包；(7) 如果校验和一致，IP层去掉IP头，将TCP段交给TCP层，TCP层检查顺序号来判断是否为正确的TCP段；(8) TCP层为TCP包头计算TCP头和数据。如果不对，TCP层丢弃这个包，若对，则向源主机发送确认；(9) 在目的主机，TCP层去掉TCP头，将字节流传给应用程序；(10) 于是目的主机收到了源主机发来的字节流，就像直接从源主机发来的一样。 实际上每往下一层，便多加了一个报头，而这个头对上层来说是透明的，上层根本感觉不到下面报头的存在。如下图3-10所示，假设物理网络是以太网，上述基于TCP/IP的文件传输(FTP)应用打包过程便是一个逐层封装的过程，当到达目的主机时，则从下而上去掉包头。
TCP/IP 的工作原理 下面以采用TCP/IP协议传送文件为例，说明TCP/IP的工作原理，其中应用层传输文件采用文件传输协议（FTP）。TCP/IP协议的工作流程如下：●在源主机上，应用层将一串应用数据流传送给传输层。●传输层将应用层的数据流截成分组，并加上TCP报头形成TCP段，送交网络层。●在网络层给TCP段加上包括源、目的主机IP地址的IP报头，生成一个IP数据包，并将IP数据包送交链路层。●链路层在其MAC帧的数据部分装上IP数据包，再加上源、目的主机的MAC地址和帧头，并根据其目的MAC地址，将MAC帧发往目的主机或IP路由器。●在目的主机，链路层将MAC帧的帧头去掉，并将IP数据包送交网络层。●网络层检查IP报头，如果报头中校验和与计算结果不一致，则丢弃该IP数据包；若校验和与计算结果一致，则去掉IP报头，将TCP段送交传输层。●传输层检查顺序号，判断是否是正确的TCP分组，然后检查TCP报头数据。若正确，则向源主机发确认信息；若不正确或丢包，则向源主机要求重发信息。 ●在目的主机，传输层去掉TCP报头，将排好顺序的分组组成应用数据流送给应用程序。这样目的主机接收到的来自源主机的字节流，就像是直接接收来自源主机的字节流一样。