目录

1 TCP 最主要的特点

1.1 特点

1.2 面向流的概念

1.3 Socket 有多种不同的意思

2 TCP是如何实现可靠传输的？

3 TCP报文段的首部格式

4 作业

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1 TCP 最主要的特点

TCP 是面向连接的运输层协议，在无连接的、不可靠的 IP 网络服务基础之上提供可靠交付的服务。为此，在 IP 的数据报服务基础之上，增加了保证可靠性的一系列措施。

1.1 特点

• TCP 是面向连接的运输层协议。 每一条 TCP 连接只能有两个端点 (endpoint)，每一条 TCP 连接只能是点对点的（一对一）。
• TCP 提供可靠交付的服务。
• TCP 提供全双工通信。
• 面向字节流。TCP 中的“流”(stream) 指的是流入或流出进程的字节序列。 面向字节流：虽然应用程序和 TCP 的交互是一次一个数据块，但 TCP 把应用程序交下来的数据看成仅仅是一连串无结构的字节流。

1.2 面向流的概念

 

 

1.3 Socket 有多种不同的意思

• 应用编程接口  API  称为 socket API, 简称为 socket。
• socket API 中使用的一个函数名也叫作 socket。
• 调用 socket 函数的端点称为 socket。
• 调用 socket 函数时其返回值称为 socket 描述符，可简称为 socket。

2 TCP是如何实现可靠传输的？

• 每发送完一个分组就停止发送，等待对方的确认。在收到确认后再发送下一个分组。
• 全双工通信的双方既是发送方也是接收方。
• 假设仅考虑 A 发送数据，而 B 接收数据并发送确认。因此 A 叫做发送方，而 B 叫做接收方。

 

• A 发送完分组 M1 后就暂停发送，等待 B 的确认 (ACK)。
• B 收到 M1 向 A 发送  ACK。
• A 在收到了对 M1 的确认后，就再发送下一个分组  M2。

A 如何知道 B 是否正确收到了 M1 呢？

解决方法：超时重传

• A 为每一个已发送的分组设置一个超时计时器。
• A 只要在超时计时器到期之前收到了相应的确认，就撤销该超时计时器，继续发送下一个分组 M2 。
• 若 A 在超时计时器规定时间内没有收到 B 的确认，就认为分组错误或丢失，就重发该分组。

确认丢失 

• 若 B 所发送的对 M1 的确认丢失了，那么 A 在设定的超时重传时间内将不会收到确认，因此 A 在超时计时器到期后重传 M1。
• 假定 B 正确收到了 A 重传的分组 M1。这时 B 应采取两个行动：

        (1) 丢弃这个重复的分组 M1，不向上层交付。

        (2) 向 A 发送确认。

确认迟到

• B 对分组 M1 的确认迟到了，因此 A 在超时计时器到期后重传 M1。
• B 会收到重复的 M1，丢弃重复的 M1，并重传确认分组。
• A 会收到重复的确认。对重复的确认的处理：丢弃。

提高传输效率：流水线传输

连续 ARQ 协议

• 发送窗口：发送方维持一个发送窗口，位于发送窗口内的分组都可被连续发送出去，而不需要等待对方的确认。
• 发送窗口滑动：发送方每收到一个确认，就把发送窗口向前滑动一个分组的位置。
• 累积确认：接收方对按序到达的最后一个分组发送确认，表示：到这个分组为止的所有分组都已正确收到了。

 

3 TCP报文段的首部格式

TCP包头（TCP Header）是TCP协议在数据传输过程中的一个固定长度的头部信息，用于标识和管理TCP连接。TCP包头通常由以下字段组成：

• 源端口号（Source Port）和目标端口号（Destination Port）：表示源主机和目标主机的端口号，用于标识应用程序之间的通信。

• 序列号（Sequence Number）：用于标识发送数据的顺序，每个TCP段都有一个唯一的序列号。

• 确认号（Acknowledgment Number）：用于确认已成功接收的数据段序列号，表示下一个期望接收的数据段的起始位置。

• 数据偏移（Data Offset）：表示TCP包头的长度，以4字节为单位，即指明TCP包头有多少个4字节的长度。

• 控制位（Flags）：包括ACK（确认）、SYN（同步）、FIN（结束）等标志位，用于控制连接的建立、终止和数据的传输等。URG代表紧急指针有效：

  1. 第一个比特位：URG，表示紧急指针是否有效。若该位为1，则紧急指针有效，接收方应当尽快处理紧急数据。

  2. 第二个比特位：ACK，表示确认号是否有效。若该位为1，则确认号有效，表示已经成功接收了之前发送方发来的数据。

  3. 第三个比特位：PSH，表示是否立即推送数据。若该位为1，则在发送方有数据时应立即将这些数据发送出去，而不需要等到缓存区满后再进行发送。

  4. 第四个比特位：RST，表示复位连接。若该位为1，则表示连接错误或异常情况，需要立即终止连接并重置连接状态。

  5. 第五个比特位：SYN，表示是否同步序列号。若该位为1，则表示发送方打算开始建立连接，并且此时序列号必须设置为随机数。

  6. 第六个比特位：FIN，表示结束连接。若该位为1，则表示发送方已经不会再有数据需要发送，要求终止连接。

• 窗口大小（Window Size）：用于流量控制，表示接收方还能接收的数据量。

• 校验和（Checksum）：用于检测TCP包头和数据的完整性，防止数据在传输过程中被篡改。

• 紧急指针（Urgent Pointer）：仅在紧急数据存在时使用，指明紧急数据的末尾位置。

• 选项（Options）：可选字段，用于定义一些附加的功能或参数。

TCP包头的长度固定为20个字节，如果有选项字段，则长度可能会增加。TCP包头紧跟在IP包头之后，以便进行传输和解析。通过解析TCP包头，接收方可以正确地处理数据的顺序、确认已接收的数据等，从而实现可靠的数据传输。

下面是一个TCP包头的示例：

00 50 8D B1 0C 57 00 02
F7 6E 06 A5 C9 68 A8 C7
80 18 00 E5 8B DB 00 00
01 01 08 0A 27 A0 67 C3
4C D2 7F 34

其中，前20个字节为TCP包头，各字段的意义如下：

• 源端口号：00 50 (十进制为80)
• 目标端口号：8D B1 (十进制为36273)
• 序列号：0C 57 00 02 (十进制为507586)
• 确认号：F7 6E 06 A5 (十进制为4152630613)
• 数据偏移：C (即12，表示包头长度为12*4=48字节)
• 控制位：C9 (分别对应着ACK、PSH、SYN这三个控制位)
• 窗口大小：68 A8 (十进制为26728)
• 校验和：80 18 (经过校验计算后得到的结果)
• 紧急指针：00 00 (紧急指针无效，该字段不需要使用)
• 选项：包括MSS、SACK、窗口扩大因子等选项，由于该示例中没有使用任何选项，该字段为空。

4 作业

简述TCP实现可靠传输的原理？

1. 序列号与确认机制：每个TCP报文段都有一个序列号，用于标识发送方发送的数据。接收方会对正确接收到的数据进行确认，即发送一个确认报文，其中包含期望接收的下一个序列号。如果发送方在合理的时间内未收到确认，则会重新发送之前的数据。

2. 超时重传：发送方在发送数据后会启动一个定时器，并等待接收方的确认。如果定时器超时，发送方会认为数据丢失，会重新发送该数据。

3. 流量控制：TCP使用滑动窗口机制来控制流量。接收方通过发送窗口通知发送方当前可接受的数据量，以防止发送方发送过多的数据导致接收方无法及时处理。发送方根据接收方的窗口大小来控制发送速率。

4. 拥塞控制：TCP使用拥塞控制算法来避免网络拥塞。发送方根据网络的拥塞情况动态调整发送速率。如果发现网络出现拥塞，发送方会降低发送速率以减轻网络负载，反之则逐渐增加发送速率。

5. 确认应答：接收方必须对数据进行确认，以确保发送方正确地接收到数据。接收方会根据接收到的数据发送确认报文，通知发送方已经成功接收到数据