一、传输控制协议
传输控制协议(Transmission Control Protocol,TCP)的最终目的是为数据提供可靠的端到端传输。TCP工作在OSI模型中的第4层。它能够处理数据的顺序和错误恢复，并且最终保证数据能够到达其应到达的目的地。
二、TCP的段结构
因为TCP是应用于大数据量传输的情况,所以需要将长的数据流分段，TCP的段结构如下图：
源端口 |
目的端口 |
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序列号 |
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确认号 |
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头长度 |
标志 |
窗口 |
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校验和 |
紧急数据指针 |
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选项(可变长度) |
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数据 |
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TCP地址与IP地址不同，IP地址是字节地址，一个节点可以运行多个应用，TCP的地址是节点的某个应用的地址，这种应用在计算机内部是进程。多个进程的数据传输通过不同的端口完成，因此在TCP段结构中，是已”端口”表示地址的。
源端口:16比特，源节点进程端口
目的端口:16比特，目标节点端口
序列号:32比特，TCP对字节流中的每个字节都有编号。假设每个数据段包含1000
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序列号分别为X,X+1000,X+2000
确认号:32比特，为准备接收的字节序号，即意味着该字节序列号前的字节都已正确接收。
头长度:4比特，随可变长度选项的改变而改变，接收方可根据该数据确定TCP的数据位置。
标志:6比特，该字段包含对其他字段的说明或对控制功能的标志。具体的设置如下：
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—标志最后的TCP数据段，FIN也称为”完成”
PSH—指出接收方不必等到一定量的数据再向应用提供数据(一般情况是等待一定量再提供)，而是立即提供该数据段，PSH也称为”推”。
RST—在有异常情况发生时，发送方通知接收方展示终止连接。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，允许双方共同确认初始序号，SYN也称为”同步”。
窗口:16比特，通知接收方还可以发送的数据字节数(因为是全双共通信)，接收方可以根据该值改变其发送窗口的大小。
校验和:16比特，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比特的整数，并相加。
紧急数据指针:16比特，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，紧急数据指针指向紧挨着紧急数据后的第一个字节，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。
选项:可变长度，选项一般包含两个内容，一是在通信双方容量相差很大时，必须在初始建立连接时，确定可接收的段的最大尺寸；另一个是在使用高宽带线路传输大型文件时，允许用16比特来代替32比特的窗口字段。需要注意的是，利用填充选项字段，已保证TCP段的头尺寸是4字节的整数倍。
数据:可变大小，用户提供的数据。
三、TCP的三次握手和四次挥手
1、 建立连接
TCP连接的建立采用三次握手协议。三次握手的具体过程是：第一方向另一方发送连接请求段，另一方回应对连接请求的请求段，第一方再发送对对方确认段的确认。这个过程可以用图1-1表示
图1-1中，SYN为请求建立连接的标志，三次握手过程如下：
T1：A向B发送请求建立连接段，序列号为X。
T2：B发送应答A的X序列号的请求建立连接的段，该应答段的序列号为Y。
T3: 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的段已连接。
至此，连接建立成功，A、B分别发送数据段，序列号分别是X+1、Y+1，应答号分别是Y+1、X+1。
2、 连接释放
因为是双工通信，一方的数据段发送完毕要终止连接时，另一方不一定也发送完数据，因此，TCP连接释放采用对称释放方式。
见图1-2，FIN为终止标志，释放连接的过程如下：
l A在T1时刻接收到应用层的终止请求，发送释放连接段。
l B在T2时刻收到A发送的释放连接段，发送应答段，确认已经收到该段，并通知应用层A已经无数据发送，请求释放连接。
l 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。
l 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
l 在T5时刻B收到A的确认，也中断连接。
四、TCP三次握手数据包
客户端与服务端通过三次握手建立连接，最后都会通过端口与端口之间的连接。
【示例】A主机的IP地址为：172.20.20.180 ，B主机IP地址为：172.20.20.178，端口：80处于开发状态。通过主机A访问主机B。
1）第一次握手，主机A向主机B发送连接请求包，标志位SYN（同步序号）置为1，序号SEQ=0。
查看第二2 个数据包的，发现Flags（SYN），并且SYN的值为1。
其中的：Sequence Number(raw):是wireshark随机生成的序号。Sequence Number：0 表示 该包序号的相对值。
2）第二次握手，为主机B返回的[SYN，ACK]响应包，即：服务端收到客户端发过来的请求报文，由SYN=1知道客户端要建立连接。向客户端发送一个SYN和ACK都置为1的TCP报文，同时设置本机初始序号SEQ=0，将确认序号（ACK）【即为客户端的序号+1】，客户端的序号，上图为SEQ=0，如下图：
3）第三次握手，客户端收到服务端发来的响应包后，检查确认序号（ACK）是否正确，即第一次发送的序号+1（X+1=1）。以及标志位ACK是否为1,。若正确，服务器再次发送确认包，ACK标志位为1，SYN为0，确认序号（ACK）= 主机B的SEQ+1=0+1=1，发送序号+1=1，客户端收到确认序号与ACK=1 ，则建连成功。
五、TCP四次挥手数据包
TCP连接释放的整个过程，见下图：
首先通过wireshark转包，看一下整体TCP断开连接情况
为展示效果更佳，写了python的socket的简单demo
服务端的IP：172.20.20.178 端口 12345 ，客户端IP：172.20.20.180
服务端代码：
#!/usr/bin/python # -*- coding: utf-8 -*- # 服务端程序 import socket import time if __name__ == '__main__': # 1.创建socket（套接字）对象 serv = socket.socket() # 2.绑定地址信息 host = socket.gethostname() port = 12345 serv.bind((host, port)) # 3.开启监听 serv.listen(5) # 最大的等待序列数 print("Server Port beging,wait connect ...") # 4.等待从客户端的连接 #while 1: conn, address = serv.accept() # 返回socket连接对象和客户端地址address,是个元组结构 #print("连接地址：%s"%(str(address[0]))) msg = "Hello" conn.send(msg.encode('utf-8')) time.sleep(1) serv.close() |
客户端代码：
#!/usr/bin/python # -*- coding: utf-8 -*- # 客户端程序 from socket import * import time if __name__ == '__main__': client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM) # 1.创建和服务器的连接 host = '172.20.20.178' port = 12345 ADDR = (host, port) client.connect(ADDR) # 接收小于 1024 字节的数据 msg = client.recv(1024) client.close() #print (msg.decode('utf-8')) |
1）第一次挥手，首先客户端（180地址）给服务端（178地址）发送TCP包，用来关闭客户端到服务端的数据传送。将标志位FIN和ACK置为1，序号为 X=1，确认序号Z=6。（此时客户端进入FIN_WAIT_1状态）
通过查看第19个数据包：
2）第二次挥手，服务端收到FIN后，回传一个ACK（标志位ACK=1），确认序号为收到的序号加1，即X=X+1=2。序号为收到的确认序号=Z（即为6）。（此时进入CLOSE_WAIT状态）
通过查看第20的数据包，见下图：
3）第三次挥手：服务端关闭与客户端的连接，发送一个FIN。将标志位FIN和ACK置为1，序号为Y=1，确认序号为X=2。（此时进入LAST_ACK状态）
通过查看第23个数据包：
4）第四次挥手：客户端收到服务端发送的FIN后，回传ACK确认（标志位ACK=1），确认序号为收到的序号+1，即Y+1=7，序号为收到的确认序号为X=2。（此时客户端进入TIME_WAIT状态，服务端进入CLOSED状态）
通过查看第24数据包，见下图：
TCP中的序列号和确认号有什么作用：
序列号，TCP将每个字节的数据进行了编号
序列号的作用：
1、保证可靠性(如当收到的数据少了某个序号的数据时，就能立马知道)
2、保证数据的按序到达
3、提高效率，可实现多次发送，一次确认
4、去除重复数据块
确认号（ACK）的作用：TCP通过确认应答机制实现可靠的数据传输。在TCP的首部字段中有标志位：ACK，通过该标志位 ACK=1 来确认字段有效。
总结：
TCP协议保证数据传输可靠性的方式主要有：
1、校验和
2、序列号
3、确认应答机制
4、重试重传机制
5、连接管理机制
6、流量控制
7、拥塞控制