TCP/IP五层模型-传输层-TCP协议

​1.定义：TCP是一种面向连接、可靠的、基于字节流的传输控制协议。

2.应用场景：TCP为可靠传输，适合对数据完整性要求高，对延时不敏感的场景，比如邮件。

3.TCP报文：①TCP报文格式：

②TCP首部字段信息：

源端口号：源端口和IP地址的作用是标识报文的返回地址。
目的端口号：端口指明接收方计算机上的应用程序接口。
（作用：TCP报头中的源端口号和目的端口号同IP数据报中的源IP与目的IP唯一确定一条TCP连接。）
序号：序号是本报文段发送的数据组的第一个字节的序号，序号确保了TCP传输的有序性。
确认号：确认号，即ACK，指明下一个期待收到的字节序号，表明该序号之前的所有数据已经正确无误的收到。确认号只有当ACK标志为1时才有效。
数据偏移/首部长度：指出TCP报文段的起始处到TCP报文段的数据起始处的距离，占4bit。保留：为将来定义新的用途保留，现在一般置0。
控制位：
URG：紧急指针标志。当发送方URG=1时，表明紧急指针字段有效，它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传送，发送的数据不用进入缓冲区而直接交付给上一层。
【注意】URG标志位：URG（紧急位）是表示紧急指针是否有效，当URG为1的时候就表示紧急指针是有效的。紧急指针通常情况下是无效的，当设置为有效的时候就表示数据要优先处理。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，紧急指针指向的是包内数据段的某个字节（数据从第一字节到指针所指字节就是紧急数据），紧急数据是不进入缓冲区的直接交给上层进程的（一般情况下TCP是要等到整个缓存都满了再向上交付的）。
PSH：PSH标志是为了提示接收端的应用程序应该立即从TCP的接收缓冲区中拿走数据，为了接收后续的数据来腾出空间（如果应用程序不将接收到的数据拿走的话，它们就会一直都留在TCP的接收缓冲区中）。PSH（急迫位）当PSH为1的时候，客户端发给服务器的报文段立即被服务器TCP交付给应用程序来处理，而不用等整个缓存都填满再向上交付。一般情况下，TCP是等缓冲区写满再向上交付的，当PSH为1的时候数据还是要进入缓存区向上提交的，只不过不用等缓冲区满后才提交。这里所说的数据包括与此PUSH包一起传输的数据以及之前就为该进程传输过来的数据（滞留在缓存中的数据）。
（URG与PSH的区别：发送方URG有效的时候，发送的数据不用进入缓冲区而直接交付给上一层；发送方PSH有效的时候，接收方收到后，发送的数据要进入缓冲区但不用等缓冲区满就交给上一层。URG是针对发送方发送紧急数据的，PSH是针对接收方，接收方尽快将数据向上层交付。
ACK：确认序号标志，为1时表示确认号有效，为0表示确认号无效。）
PSH：push标志，为1表示是带有push标志的数据，指示接收方在接收到该报文段以后，应尽快将这个报文段交给应用程序，发送的数据要进入缓冲区但不用等缓冲区满就交给上一层。
RST：重置位。当RST=1时，表明在TCP连接中出现严重差错，必须释放当前连接，然后再重新建立传输连接。RST置1用来拒绝一个非法的报文段或拒绝打开一个连接。
SYN：在建立连接时用来同步序号。当SYN=1而ACK=0时，表明这是一个连接请求报文段。对方若同意建立连接，则应在响应的报文段中使SYN=1和ACK=1。SYN置1表示连接请求或接收连接。
FIN：finish标志，用于释放连接，为1时表示发送方已经没有数据发送了，即关闭本方数据流。
窗口：滑动窗口大小，用来告知发送端接受端的缓存大小，以此控制发送端发送数据的速率，从而达到流量控制。
校验和：检验首部和数据两部分，检验时需要在TCP报文段的前面加上12字节的伪首部。
紧急指针：只有当 URG 标志置 1 时紧急指针才有效，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。
选项：TCP报文数据段中数据字段的最大长度，又称为MSS。MSS = MTU – TCP头部 – IP头部。MTU是指一种通信协议的某一层上面所能通过的最大数据包大小（以字节为单位），默认是1500字节。

③数据部分：TCP 报文段中的数据部分是可选的。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。

4.TCP的功能/特点：①面向连接：三次握手：

• 客户端请求建立连接，syn=1，seq=x，客户端进入syn_sent状态。

• 服务器收到客户端发送的syn包，同意建立连接，ack=1，ack。number=x+1；服务器请求建立连接，syn=1，seq=y，服务器进入syn_rcvd状态。

• 客户端收到服务器发送的syn+ack包，同意建立连接，ack=1，ack number=y+1，客户端和服务器进入established状态。

四次挥手：

• 客户端发送完成，请求断开连接， fin=1， seq=u。

• 服务器同意断开连接， ack=1 ，ack number = u+1。

• 服务器发送完成，请求断开连接，fin=1 ， seq=i。

• 客户端同意断开连接，ack=1， ack number = i+1。

为什么TCP建立连接要三次握手？

三次握手的目的是同步连接双方的序列号和确认号并交换 TCP 窗口大小信息。为什么两次握手不行？因为两次握手可能丢包而出现死锁，假设在两次握手场景中，C向S发送请求，S收到并发送确认请求给C，这时候S认为连接已经建立，并开始发送数据给C，但是那个确认请求丢包了，C不认为请求建立了，C当然会拒绝接受S发送来的数据，并且再去请求连接。这样，一个资源就死锁了。最后，握手当然可以四次五次一直握下去，但三次已经够了，就没有必要了。总结下来一句话，主要目的防止在网络发生延迟或者丢包的情况下浪费资源。

为什么断开连接要四次挥手而不是三次？

服务器收到客户端发送的fin包，就回客户端一个ack包。但是这个时候服务器可能还在发送数据，不能马上关闭数据连接通道。所以服务器给客户端回的ack和fin不是同时发送的，服务器把数据包发送完后，才会发送fin包给客户端。而在建立连接时，服务器把ack和syn这两个包合并成了一个包发送给客户端。

②可靠性：

超时重传：PC用TCP协议发送一个报文段，会立即启动一个重传计时器，等待目的端口确认收到这个数据段，否则将超时重传。
确认机制：每个报文都有序列号，发送完成后，收到对方回复的ack置位的确认包（ack的值为序列号+1）才认为成功发送，否则重传。
滑动窗口：根据接受端缓存区大小，灵活调整发包速率，保证数据传输的稳定性。
首部校验：TCP数据报文段中有首部和数据的校验和。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，如果出错的话，则接收端不会发送确认，从而触发发送方的确认重传。
重复丢弃：IP数据报可能会出现重复,TCP的接收端必须丢弃重复的数据。
有序性（Seq）：TCP将每个字节的数据都进行了编号，这就是序列号。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。(对失序数据进行重新排序，然后才交给应用层)。

③为什么说TCP是基于字节流?

④拓展：

2MSL：TIMEWAIT状态也称为2MSL等待状态。每个具体TCP实现必须选择一个报文段最大生存时间MSL(Maximum Segment Lifetime)。它是任何报文段被丢弃前在网络内的最长时间。我们知道这个时间是有限的，因为TCP报文段以IP数据报在网络内传输，而IP数据报则有限制其生存时间的TTL字段。对一个具体实现所给定的MSL值，处理的原则是：当TCP执行一个主动关闭，并发回最后一个ACK，该连接必须在TIMEWAIT状态停留的时间为2倍的MSL。这样可让TCP再次发送最后的ACK以防这个ACK丢失(另一端超时并重发最后的FIN)。这种2MSL等待的另一个结果是这个TCP连接在2MSL等待期间，定义这个连接的插口(客户的IP地址和端口号，服务器的IP地址和端口号)不能再被使用。这个连接只能在2MSL结束后才能再被使用。

设置TIMEWAIT的原因：

大量 TIME_WAIT 产生的原因及解决办法：

出现RST包的原因：

• 客户端来连接时,服务器端口未打开

• 在一个已关闭的SOCKET上收到数据

• 请求超时

• 提前关闭

大量CLOSE_WAIT产生的原因及解决办法：

半开、半闭连接：半开连接：从协议定义的角度来说，TCP的半开连接是指TCP连接的一端异常崩溃，或者在未通知对端的情况下关闭连接，这种情况下不可以正常收发数据，否则会产生RST。比如TCP连接的一端异常断电或是受到了syn攻击，就会导致TCP的半开连接。如果没有数据传输，对端就不会知道本端的异常而一直处于ESTABLISHED状态。

半闭连接： TCP的半闭连接是指TCP连接只有一方发送了FIN，另一方没有发出FIN包，仍然可以在一个方向上正常发送数据。这种场景并不常见，一般来说Berkeley sockets API调用shutdown()接口时候就会进入半关闭状态(调用常规的close()一般是期待完整的双向关闭这个TCP连接)，shutdown()接口相当指示程序，本端已经没有数据待发送，所以我发送一个FIN到对端，但是我仍然想要从对端接收数据，直到对端发送一个FIN指示关闭连接为止。

syn flood攻击：定义：在三次握手过程中，Server发送SYN-ACK之后，收到Client的ACK之前的TCP连接称为半连接（half-open connect），此时Server处于SYN_RCVD状态，当收到ACK后，Server转入ESTABLISHED状态。SYN攻击就是Client在短时间内伪造大量不存在的IP地址，并向Server不断地发送SYN包，Server回复确认包，并等待Client的确认，由于源地址是不存在的，因此，Server需要不断重发直至超时，这些伪造的SYN包将长时间占用未连接队列，服务器将维护一个非常大的半连接列表，这样就会导致正常的SYN请求因为队列满而被丢弃，从而引起网络堵塞甚至系统瘫痪。SYN攻击时一种典型的DDOS攻击。攻击方式：

• Direct Attack 攻击方使用固定的源地址发起攻击，这种方法对攻击方的消耗最小。

• Spoofing Attack 攻击方使用变化的源地址发起攻击，这种方法需要攻击方不停地修改源地址，实际上消耗也不大。

• Distributed Direct Attack 这种攻击主要是使用僵尸网络进行固定源地址的攻击。

防御方法：

5.用TCP传输数据的应用层协议：服务器同步数据的dns、ftp、smtp/pop3、http、telnet、ssh等。