第17章 TCP：传输控制协议

17.1 引言

本章将介绍TCP为应用层提供的服务，以及TCP首部中的各个字段。随后的几章我们在了解TCP的工作过程中将对这些字段作详细介绍。

对TCP的介绍将由本章开始，并一直包括随后的7章。第18章描述如何建立和终止一个TCP连接，第19和第20章将了解正常的数据传输过程，包括交互使用（远程登录）和批量数据传送（文件传输）。第21章提供TCP超时及重传的技术细节，第22和第23章将介绍两种其他的定时器。最后，第24章概述TCP新的特性以及TCP的性能。

17.2 TCP的服务

尽管TCP和UDP都使用相同的网络层（IP），TCP却向应用层提供与UDP完全不同的服务。TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。

面向连接意味着两个使用TCP的应用（通常是一个客户和一个服务器）在彼此交换数据之前必须先建立一个TCP连接。这一过程与打电话很相似，先拨号振铃，等待对方摘机说“喂”，然后才说明是谁。在第18章我们将看到一个TCP连接是如何建立的，以及当一方通信结束后如何断开连接。

在一个TCP连接中，仅有两方进行彼此通信。在第12章介绍的广播和多播不能用于TCP。

TCP通过下列方式来提供可靠性：

1. 应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块。这和UDP完全不同，应用程序产生的数据报长度将保持不变。由TCP传递给IP的信息单位称为报文段或段（segment）（参见图1-7）。在18.4节我们将看到TCP如何确定报文段的长度。
2. 当TCP发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。在第21章我们将了解TCP协议中自适应的超时及重传策略。
3. 当TCP收到发自TCP连接另一端的数据，它将发送一个确认。这个确认不是立即发送，通常将推迟几分之一秒，这将在19.3节讨论。
4. TCP将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错，TCP将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段（希望发端超时并重发）。
5. 既然TCP报文段作为IP数据报来传输，而IP数据报的到达可能会失序，因此TCP报文段的到达也可能会失序。如果必要，TCP将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层。
6. 既然IP数据报会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据。
7. TCP还能提供流量控制。TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。TCP的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。

两个应用程序通过TCP连接交换8bit字节构成的字节流。TCP不在字节流中插入记录标识符。我们将这称为字节流服务（byte stream service）。如果一方的应用程序先传10字节，又传20字节，再传50字节，连接的另一方将无法了解发方每次发送了多少字节。收方可以分4次接收这80个字节，每次接收20字节。一端将字节流放到TCP连接上，同样的字节流将出现在TCP连接的另一端。

另外，TCP对字节流的内容不作任何解释。TCP不知道传输的数据字节流是二进制数据，还是ASCII字符、EBCDIC字符或者其他类型数据。对字节流的解释由TCP连接双方的应用层解释。

这种对字节流的处理方式与Unix操作系统对文件的处理方式很相似。Unix的内核对一个应用读或写的内容不作任何解释，而是交给应用程序处理。对Unix的内核来说，它无法区分一个二进制文件与一个文本文件。

17.3 TCP的首部

TCP数据被封装在一个IP数据报中，如图17-1所示。

图17-1 TCP数据在IP数据报中的封装

图17-2显示TCP首部的数据格式。如果不计任选字段，它通常是20个字节。

图17-2 TCP包首部

每个TCP段都包含源端和目的端的端口号，用于寻找发端和收端应用进程。这两个值加上IP首部中的源端IP地址和目的端IP地址唯一确定一个TCP连接。

有时，一个IP地址和一个端口号也称为一个插口（socket）。这个术语出现在最早的TCP规范（RFC793）中，后来它也作为表示伯克利版的编程接口（参见1.15节）。插口对（socketpair）(包含客户IP地址、客户端口号、服务器IP地址和服务器端口号的四元组)可唯一确定互联网络中每个TCP连接的双方。

序号用来标识从TCP发端向TCP收端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的的第一个数据字节。如果将字节流看作在两个应用程序间的单向流动，则TCP用序号对每个字节进行计数。序号是32 bit的无符号数，序号到达2³²－1后又从0开始。

当建立一个新的连接时，SYN标志变1。序号字段包含由这个主机选择的该连接的初始序号ISN（Initial Sequence Number）。该主机要发送数据的第一个字节序号为这个ISN加1，因为SYN标志消耗了一个序号（将在下章详细介绍如何建立和终止连接，届时我们将看到FIN标志也要占用一个序号）。

既然每个传输的字节都被计数，确认序号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号。因此，确认序号应当是上次已成功收到数据字节序号加1。只有ACK标志（下面介绍）为1时确认序号字段才有效。

发送ACK无需任何代价，因为32 bit的确认序号字段和ACK标志一样，总是TCP首部的一部分。因此，我们看到一旦一个连接建立起来，这个字段总是被设置，ACK标志也总是被设置为1。

TCP为应用层提供全双工服务。这意味数据能在两个方向上独立地进行传输。因此，连接的每一端必须保持每个方向上的传输数据序号。

TCP可以表述为一个没有选择确认或否认的滑动窗口协议（滑动窗口协议用于数据传输将在20.3节介绍）。我们说TCP缺少选择确认是因为TCP首部中的确认序号表示发方已成功收到字节，但还不包含确认序号所指的字节。当前还无法对数据流中选定的部分进行确认。例如，如果1～1024字节已经成功收到，下一报文段中包含序号从2049～3072的字节，收端并不能确认这个新的报文段。它所能做的就是发回一个确认序号为1025的ACK。它也无法对一个报文段进行否认。例如，如果收到包含1025～2048字节的报文段，但它的检验和错，TCP接收端所能做的就是发回一个确认序号为1025的ACK。在21.7节我们将看到重复的确认如何帮助确定分组已经丢失。

首部长度给出首部中32 bit字的数目。需要这个值是因为任选字段的长度是可变的。这个字段占4bit，因此TCP最多有60字节的首部。然而，没有任选字段，正常的长度是20字节。在TCP首部中有6个标志比特。它们中的多个可同时被设置为1。我们在这儿简单介绍它们的用法，在随后的章节中有更详细的介绍。

TCP的流量控制由连接的每一端通过声明的窗口大小来提供。窗口大小为字节数，起始于确认序号字段指明的值，这个值是接收端正期望接收的字节。窗口大小是一个16 bit字段，因而窗口大小最大为65535字节。在24.4节我们将看到新的窗口刻度选项，它允许这个值按比例变化以提供更大的窗口。

检验和覆盖了整个的TCP报文段：TCP首部和TCP数据。这是一个强制性的字段，一定是由发端计算和存储，并由收端进行验证。TCP检验和的计算和UDP检验和的计算相似，使用如11.3节所述的一个伪首部。

只有当URG标志置1时紧急指针才有效。紧急指针是一个正的偏移量，和序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。TCP的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。我们将在20.8节介绍它。

最常见的可选字段是最长报文大小，又称为MSS(Maximum Segment Size)。每个连接方通常都在通信的第一个报文段（为建立连接而设置SYN标志的那个段）中指明这个选项。它指明本端所能接收的最大长度的报文段。我们将在18.4节更详细地介绍MSS选项，TCP的其他选项中的一些将在第24章中介绍。

从图17-2中我们注意到TCP报文段中的数据部分是可选的。我们将在18章中看到在一个连接建立和一个连接终止时，双方交换的报文段仅有TCP首部。如果一方没有数据要发送，也使用没有任何数据的首部来确认收到的数据。在处理超时的许多情况中，也会发送不带任何数据的报文段。

17.4 小结

TCP提供了一种可靠的面向连接的字节流运输层服务。我们简单地介绍了TCP首部中的各个字段，并在随后的几章里详细讨论它们。

TCP将用户数据打包构成报文段；它发送数据后启动一个定时器；另一端对收到的数据进行确认，对失序的数据重新排序，丢弃重复数据；TCP提供端到端的流量控制，并计算和验证一个强制性的端到端检验和。

许多流行的应用程序如Telnet、Rlogin、FTP和SMTP都使用TCP。

习题

1. 我们已经介绍了以下几种分组格式：IP、ICMP、IGMP、UDP和TCP。每一种格式的首部中均包含一个检验和。对每种分组，说明检验和包括IP数据报中的哪些部分，以及该检验和是强制的还是可选的。
2. 为什么我们已经讨论的所有Internet协议（IP,ICMP,IGMP,UDP,TCP）收到有检验和错的分组都仅作丢弃处理？
3. TCP提供了一种字节流服务，而收发双方都不保持记录的边界。应用程序如何提供它们自己的记录标识？
4. 为什么在TCP首部的开始便是源和目的的端口号？
5. 为什么TCP首部有一个首部长度字段而UDP首部（图11-2）中却没有？