TCP数据传输机制

TCP的段结构

源端口		目标端口
***
确认号
头长度		标志	窗口
校验和		紧急数据指针
选项(可变长度)
数据

1. 源端口：16 byte，源节点进程端口

2. 目标端口：16 byte，目标节点端口

3. ***： 32 byte，TCP对字节流中的每个字节都编号。假设每个数据段包含1000个数据字节，第一个字节的编号为X,则对于字节流中各段的第一个字节的***分别为：X，X + 1000，X + 2000等。

4. 确认号： 32 byte，为准备接受的字节***，即意味着该字节***前的字节都已经正确接受。

5. 头长度：4 byte，随可变长度的选项的改变而改变，接收方可根据该数据确定TCP的数据的起始位置。

6. 标志：6 byte，字段包含对其他字段的说明或对控制功能的标示。具体设置如下：

   ACK ： 说明确认字段中的数据有意义。

   URG：说明紧急数据指针字段中的数据有意义。

   FIN ：标志是最后的TCP数据段（也成为完成）。

   PSH：指出接收方不必等待一定量的数据再向应用提供数据（一般情况是等待一定数据量再提供），而是立即提供该数据段，PSH也称“推”。

   RST：在有异常情况发生时，发送方通知接收方暂时终止连接，释放与连接有关的缓冲区，中断TCP传输， RST也称为“复位”。

   SYN：在建立初始连接时，允许双方共同确定初始***，SYN也称为“同步”。

7. 窗口：16 byte，通知接收方还可以发送的数据字节数，接收方可以根据该值改变其发送窗口的大小。

8. 检验和：16 byte，进行传输层的差错校验，具体算法是将TCP段的内容转换成一系列的16 byte的整数，并相加。

9. 紧急数据指针：16 byte，当标志字段中的值为URG时，表示有紧急数据，紧急数据位于段的开始，紧急数据指针向紧挨着紧急数据后的第一个字段，以区分紧急数据和非紧急数据。对于紧急数据接收方必须尽快发送给高层应用。

10. 选项：可变长度。

11. 数据：可变大小，用户提供的数据。

TCP连接建立

TCP连接的建立采用三次握手协议，SYN为请求建立连接的标志，如下图所示：

在T1时刻，A向B发送请求建立段，***为X。

在T2时刻，B发送应答A的X***的请求建立连接的段，该应答的***为Y。

在T3时刻，A发送对B的应答段的应答，应答号为Y+1，表明应答号为Y的段已接收。

至此，连接建立成功，A，B分别发送数据，***分别为X + 1、Y + 1，应答号分别为Y + 1、X + 1.

TCP连接的释放

TCP是全双工通信，一方的数据段发送完毕要终止连接时，另一方有可能有未发送完的数据，所以TCP的连接释放采用对称释放方式（4次挥手），如下图：

在上图中，FIN为终止标志，释放连接的过程如下：

• A在T1时刻接收到应用层的终止请求，发送释放连接段。
• B在T2时刻接收到应用层的终止请求，发送应答段，确认已经接收到该段，并通知应用层A已经无数据发送，请求四方连接。
• 此后B仍然可以发送数据，但在T3时刻收到无数据传输的通知，向A发送释放连接段。
• A在T4时刻收到B的释放连接段，A向B发送应答段，确认已经收到该段，并中断连接
• 在T5时刻B收到A的确认，也中断连接。

TCP滑动窗口

TCP的滑动窗口协议中的接受窗口随着已经接受的数据量的变化而变化，如下图所示：

在上图中，假定接收方有4096字节缓冲区。ACK为将要确认的字节号，即在此前的字节已经被确认接受，WIN为可以接受的窗口大小，SEQ为发送数据段的起始字节号。运行步骤如下：

• 在T1时刻，发送方的应用写入2048字节的数据，发送方的起始字节号为0.
• 在T2时刻，接收方接收到发送方的数据段后，在没有交给应用层前，缓冲区被占用2K，还剩下2k，接收方发送确认段，ACK=2048，WIN=2048。
• 在T3时刻，发送方收到应用层写入3k字节的数据，但因接收方的缓冲区只剩下2k，因此发送2k的数据段，SEQ=2048.
• 在T4时刻，接收方接收到发送方的数据段后，在没有交给应用层前，缓冲区被占满，接收方向发送方发确认段，ACK=4096，WIN=0，此时发送方被阻塞。
• 在T5时刻，接收方向应用层上传一个数据段，缓冲区被释放2k字节，接收方向发送方发送确认段，通知接收方有2048字节缓冲区，即WIN=2048.
• 在T6时刻，发送方发送余下的1k字节数据段，SEQ=4096，此时，接收方缓冲区还剩下1k。

TCP重传策略

​ TCP协议用于控制数据段是否需要重传的依据是设定重发定时器。在发送一个数据段的同时启动一个重发定时器，如果在定时器超时前收到确认，就关闭该定时器，如果定时器超时前没有收到确认，则重传该数据段。对定时器初值的设定，目前采用较多的算法是一种不断调整超时时间间隔的动态算法。其工作原理是：对每条连接TCP都保持一个变量RTT，用于存放当前到目的端往返所需时间最接近的估算值。当发送一个数据段时，同时启动连接的定时器，如果在定时器超时前确认到达，则记录所需的时间（M），并修正RTT的值，如果定时器超时前没有收到确认，则将RTT的值增加1倍。