TCP/IP 协议简单分析

首先 TCP 和 IP 是两种不同的协议，它们来七层网络模型中分别在不同的层次， IP 协议是网络层的协议， TCP 是更高一层的传输层的协议， TCP 是建立在 IP 协议之上的，所以一般把 TCP 和 IP 连在一起说 TCP/IP 协议。

Windows 系统的 TCP 协议栈的数据包默认是 1460 字节大小，如果一次传输的数据大于这个长度，会把分割成几个长度都不大于 1460 字节的 TCP 数据包，每个数据包都会被赋予一个 sequnce number （相当于每个数据包的顺序号，凭这个接收端可以知道数据包的前后顺序）

之后 TCP 的数据包再被包裹上一层 IP 的数据的头，形成 IP 数据包在网上传输（其实最后还要包一层以太网数据包，网络上最终传输的都是以太网数据包）。

IP 数据包到了目的地后，接收端首先把 IP 数据包的包头去掉，取出 TCP 的包。接收端每收到一个 TCP 的数据包都需要返回给发送端一个 ACK 的数据包告诉发送端已接到此数据包，如果接收端在一定的时间内没有收到某个数据包的 ACK 响应，会再次发送这个数据包，这样就保证了数据都能被接收端接收到（因特网上丢数据包是很正常的事，如果没有数据包重发机制，很难保证发送的数据都能被接收端完整的收到）。

每个 TCP 数据包也是由包头和实际数据组成，包头包含如下主要内容：

l         Source port （ 2 字节）

发送端的端口号

l         Destination port （ 2 字节）

接收端的端口号

TCP 包头中只包含双方的端口号，双方的 IP 地址在 IP 包的包头，所以在 TCP 数据包的包头中没有 IP 地址。

l         Sequence number （ 4 字节）

数据的顺序号，表示当前数据包中的数据起始顺序号，比如前一个数据包的 SEQ 为十六进制的： df d5 aa 3d ，数据包的实际数据长度为 16 字节，那么下一个数据包的 SEQ 就要在前一个数据包的 SEQ 基础上加上 16 ，为： df d5 aa 4d

l         Acknowledgement number （ 4 字节）

接收到对方的某个数据包后的回应顺序号。如果接收到了对方主动发送来的某个数据包，必须要返回对方一个 ACK 回应数据包，数据包的头部的 Acknowledgement number 部分根据对方发送数据的 SEQ 和实际数据长度，返回 SEQ + 实际数据长度，表示已经接收到这个数据包。对方收到这个回应，根据数值计算后知道这个数据包已经被对方接收。如果接收不到 ACK 的回应，就意味着这个数据包已经在网上被丢失，需要重新发送此数据包。

l         Header length （ 1 字节）

表示 TCP 数据包的包头长度，整个 TCP 数据包的长度减包头长度就能得到 TCP 数据包的实际传送的数据长度。

l         Flags （ 1 字节）

标志字节，每一位都是一个标志，以下是几个主要标志：

ACK – 表示数据包是个 ACK 回应数据包，表示接收到了对方的某个数据包，具体哪个包由包头的 Acknowledgement number 部分指示。

PSH – 表示这是个有实际数据的包。

SYN – 表示这是个建立连接的数据包，通讯双方要通讯，总是由客户端先发送 SYN 数据包到服务端以建立 TCP 的连接。

FIN – 表示通讯结束，拆除连接的数据包。

下面描述一次 TCP 传送数据的完整过程，以一个客户端向服务端发送一些数据为例。

Figure 1 ．一次完整的 TCP 通讯的过程

1、 建立连接

TCP 是面向连接的协议，客户端和服务端要通讯就必须先建立一个连接。首先通讯双方都有地址，就是 IP 地址加端口号（ IP:Port ）标识通讯的每一端，客户端的 IP:Port 跟服务器 IP:Port 之间就构成一个 socket 套接字。所谓建立连接就是在客户端的 IP:Port 跟服务器 IP:Port 之间建立一个通道，初始化一些通讯的基础设置，以便以后的数据通讯的正常进行。

1.1.    客户端发送 SYN

总是客户端发起连接，首先客户端发送 SYN 数据包到服务端以建立 TCP 连接。

SYN 数据包只有 TCP 包头，没有实际数据。

Flags 标志字节的 SYN 位置位，表示是 SYN 数据包。

Sequence number 由客户端随机生成一个 4 字节的数据，作为本次连接通讯客户端数据的起始顺序号，以后客户端发往服务端的数据包的 Sequence number 都在此基础上加上每次传送的实际数据长度依次相加递增，这样根据每个数据包的 Sequence number 就能判断出数据包的前后顺序，以便接收方根据数据包的顺序拼接数据包。

1.2.    服务端回应 ACK 、 SYN

服务端收到客户端的 SYN 后，首先要发送一个 ACK 数据包给客户端表示收到了这个数据包。

数据包的 Flags 标志字节的 ACK 置位，表示是 ACK 回应数据包。

Acknowledgement number 设置为接收到的数据包的 SEQ + 数据包实际长度，因为接收到的 SYN 的实际数据长度为 0 ，但是 TCP 协议认为实际长度为 0 的主动发送的数据长度为 1 ， SYN 是客户端主动发送的数据包，所以服务端把 Acknowledgement number 设置为接收到的数据包的 SEQ + 1 。

TCP 通讯可以是双向的，一旦建立了连接，服务端也可以向客户端发送数据。

所以服务端也会向客户端发送一个 SYN 包，数据包的 Flags 标志字节的 SYN 置位，表示是 SYN 数据包，同时随机生成一个 4 字节的数据，作为本次连接通讯服务端数据的起始顺序号 Sequence number 。

实际中，服务端把这两个数据包合并为一个数据包， SYN 和 ACK 都是置位， Sequence number 和 Acknowledgement number 也同时设置，作为一个数据包发送回客户端。

1.3.    客户端回应 ACK

客户端收到服务端的 SYN 数据包后，需要回应一个 ACK 数据包，表示接收到此数据包。同样 ACK 数据包的 Acknowledgement number 设置为接收到的数据包的 SEQ + 1 （ SYN 、 ACK 数据包的实际数据长度也是 0 ）。

2、 相互收发数据

通讯双方建立了连接后，就可以相互进行数据包的传送。

发送数据的一端，把数据包的 Flags 标准字节的 PSH 置位，表示是有实际数据的数据包。

Sequence number 置为前一次的数据包的 Sequence number 加上前一次数据包的长度。

如果数据包还兼做 ACK 包，则把 ACK 置位，同时设置好 Acknowledgement number 把数据包发送到对方。

接收方收到对方主动发送的数据数据包后，一定要回复 ACK 数据包，如果同时有数据发往对方，可以把实际数据包跟 ACK 数据包合在一起发送。

在拆除连接之前，通讯双方可以一直相互发送接收数据，数据的顺序都建立在各自的 Sequence number 基础上。

图 1 中，蓝色部分的数据通讯就表示这一阶段。

3、 拆除连接

双方数据交换完毕，需要拆除连接，结束通讯。

3.1.    客户端发送 FIN

通讯的一方向另一方发送 FIN 数据包表示要结束通讯，拆除连接。

客户端把数据包的 Flags 标准字节的 FIN 置位，表示是通讯结束数据包。

3.2.    服务端返回 ACK ， FIN

服务端收到客户端的 FIN 数据包后，先回应一个 ACK 数据包，然后也发送一个 FIN 数据包，还是服务端也结束通讯。

3.3.    客户端回应 ACK

客户端回应 ACK 表示接收到服务端的 FIN 数据，双方通讯结束。

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