TCP协议学习笔记

TCP协议数据格式

TCP协议在互联网ISO协议的传输层。

在互联网传输过程中，互联网包在数据链路层，是传输数据的最基础的包。一个互联网的包包含IP包，即互联网包 = 互联网信息包头（至少20字节）+IP包（1480字节） = 数据包1500字节

IP包是跨局域网传输需要路由的包，是处于网络层的包。一个IP包包含一个TCP或UDP的包，即IP包 = IP包头（至少20个字节）+TCP包（1460字节）= 数据包1480字节

TCP包是传输到指定端口的包，每个端口都表示不同的应用协议服务，TCP协议指定了端口，才能解析数据内容，例如http协议就是8080端口解析的。TCP包处于传输层。一个TCP包 =

TCP包头（至少20字节）+HTTP包（1440字节） = 1460字节。

所以一个TCP包的信息内容在1400字节左右，如果TCP的内容数据是1500字节，发送方就需要发送两个TCP包。HTTP协议因此缩短了HTTP包头，让一个HTTP包只需要一个TCP包传输。

例如一个10M的信息，需要发送7489个数据包。

TCP包的包头信息

TCP协议为了保证数据包之间按照顺序发送，每个TCP包都有一个编号，如上10M的信息需要的包里有1-7489的编号。

每一个TCP包头，传递的信息有三个。

一是编号，表示TCP当前的包所在的顺序，也是唯一标识。

二是发送方需要的下一个数据包的编号，表示接收方回复的TCP数据包中的编号是发送方请求的下一个数据包的编号。所以，在接受方丢失了这个包后，发送给对方的请求编号

便不是发送方请求的包编号。

　　　　　　　　　　

例如 　A 端------------------------------------TCP（id =1 ，ack = 100，length = 100kb）-----------------------------------------------》 B端  ACK = 1

　A 端------------------------------------TCP（id =101 ，ack = 200, length = 50kb）---------------------------------------------》（包丢失） B端 ACK = 101

　　    A 端------------------------------------TCP（id =151， ack = 300，length = 100kb）---------------------------------------------》 B端 ACK = 101

A 端的发送窗口=3，即一次性发送3个数据包，第二个数据没有收到，所以B端的ACK不会改变。所以TCP的A端会收到相同的ACK 请求。

　 A 端 《---------------------------------TCP（id = 100，ack = 101, length = 100kb）--------------------------------------------   B端

A 端 《---------------------------------TCP（id = 300，ack = 101, length = 100kb）--------------------------------------------   B端

这样A端会堆积很多重复的ACK，当ACK重复三次后，A端会重新发送丢失的包。

　　　　A 端------------------------------------TCP（id =101 , ack = 200, length = 50kb）---------------------------------------------》 B端 ACK = 151

　 　　  A 端------------------------------------TCP（id =151 , ack = 300,length = 100kb）---------------------------------------------》 B端 ACK = 251

因此，TCP可以保证包不会丢失。

TCP的传输过程

举一个例子：

　　 　 A 端  ------------------------------------TCP（id =1 ，ack = 101，length = 100kb）-----------------------------------------------》 B端  ACK = 1

A 端 《---------------------------------TCP（id = 101，ack = 101, length = 100kb）------------------------------------------------   B端

　A 端   ------------------------------------TCP（id =101 ，ack = 201, length = 50kb）-----------------------------------------------》 B端 ACK = 101

　　   A 端 《---------------------------------TCP（id = 201，ack = 151, length = 100kb）-------------------------------------------------   B端

　　 A 端   ------------------------------------TCP（id =151， ack = 301，length = 100kb）---------------------------------------------》 B端 ACK = 101

A 端 《---------------------------------TCP（id = 301，ack = 251, length = 100kb）--------------------------------------------------   B端

　　   第一条数据包 A端发送给B端的数据编号为1，长度是100字节，第二条数据B端回复A端发送101编号的数据，因此第三A端发送的数据是101开头，且50字节的编号，

第四条数据包 B端再次请求A端给我后续151开头的数据。第五条数据包中A端果然发送给151开头大小为100字节的数据了。最后B端ACK请求251开头的数据。

ACK是什么       

　在LINUX中，每当发送方发送10个数据包后，会停下来等待接收方的确认。一般接收方每接到2个数据包会发送一个确认消息 Acknowledgment 即为ACK，是确认的意思。

ACK里面包含两个消息：

一是期待接收下一个数据包的编号。

二是接收方的接收窗口的剩余容量。

　当发送方获取到这两个信息后，就会知道下一个发送的数据以及发送的数据包的大小，即发送速率。

　例如

　Client　----------------Segment(seqNum = 300,length = 100)--------------->Server

Client   <--------------Acknowledgment(Acknum = 401,Window=60)------>Server

　Client　----------------Segment(seqNum = 401,length = 60)--------------->Server

Client   <--------------Acknowledgment(Acknum = 461,Window=80)------>Server

　Client　----------------Segment(seqNum = 541,length = 100)--------------->Server

Client   <--------------Acknowledgment(Acknum = 641,Window=60)------>Server

因为TCP通信是双方的，所以ACK数据是双方都发送的，所以双方的发送窗口大小不同。而且ACK的字段很小，通常和数据包合并在一起发送。

慢启动

在网络传输过程中，最理想的情况当然是传的越快越好，最好一次性发出去。但是网络的情况不稳定，有可能出现低带宽、路由过热、内存溢出的情况，导致丢包。

线路不好的情况下，发的越快，丢的越多。

所以最理想的情况是在线路允许的情况下，达到最高速率。

但是我们如何知道在什么情况下才是理想的速率呢？答案是慢慢试。

TCP协议为了做到效率和可靠性的统一，设计了一个慢启动的机制。

开始的时候,发送的慢,然后根据丢包的概率,调整速率:如果不丢包,就加快发送速率,如果丢包,就降低发送速率.

一般最开始时一次性发送10个数据包.即发送窗口 = 10.

通过ACK机制发现丢包率,进而实现慢启动机制的设计.

TCP数据包的组装

TCP的数据包传输到接收方后,组装还是由原装操作系统完成的.对于应用程序而言,不关心实现网络通信的细节.除非线路异常,收到的数据总是完整的.

应用程序需要的数据放在TCP数据包里,有自己完整的格式.

TCP并没有完整的协议来标识数据的大小,这由应用层的协议来规定,例如HTTP协议就有一个头信息Content-Length,表示信息体的大小.对于操作系统来说,

就是持续的组装数据包,按照顺序排列好,一个包都不能少.

操作系统不会去处理TCP包里面的数据，一旦组装好TCP数据包,就把它转交给应用程序,TCP数据包里有一个端口参数,就是用来转交给指定的应用程序的.

系统根据TCP数据包里的端口,将组装好的数据转交给应用程序,应用程序收到组装好的原始数据,以浏览器为例,就会根据HTTP协议里的Content-Length字段

正确读取一段段的数据.

TCP数据包编号(SEQ)

一段数据量很大的数据,需要用许多TCP包,例如一个10M的信息,需要7348个TCP数据包才能传输完.为了确认每一个TCP包传送成功，TCP数据包设计了数据包编号(SEQ),

数据包编号是一串随机数字,作为丢包的唯一标识.