传输控制协议(TCP)

2008-02-22 12:36:59来源:互联网 阅读 ()

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传输控制协议(Transmission Control Protocol, TCP)
TCP协议主为了在主机间实现高可靠性的包交换传输协议。本文将描述协议标准和实现的
一些方法。因为计算机网络在现代社会中已经是不可缺少的了,TCP协议主要在网络不可
靠的时候完成通信,对军方可能特别有用,但是对于政府和商用部门也适用。TCP是面向
连接的端到端的可靠协议。它支持多种网络应用程序。TCP对下层服务没有多少要求,它
假定下层只能提供不可靠的数据报服务,它可以在多种硬件构成的网络上运行。下面的
图是TCP在层次式结构中的位置,它的下层是IP协议,TCP可以根据IP协议提供的服务传
送大小不定的数据,IP协议负责对数据进行分段,重组,在多种网络中传送。
TCP的上面就是应用程序,下面是IP协议,上层接口包括一系列类似于操作系统中断的调
用。对于上层应用程序来说,TCP应该能够异步传送数据。下层接口我们假定为IP协议接
口。为了在并不可靠的网络上实现面向连接的可靠的传送数据,TCP必须解决可靠性,流
量控制的问题,必须能够为上层应用程序提供多个接口,同时为多个应用程序提供数据
,同时TCP必须解决连接问题,这样TCP才能称得上是面向连接的,最后,TCP也必须能够
解决通信安全性的问题。
网络环境包括由网关(或其它设备)连接的网络,网络可以是局域网也可以是一些城域
网或广域网,但无论它们是什么,它们必须是基于包交换的。主机上不同的协议有不同
的端口号,一对进程通过这个端口号进行通信。这个通信不包括计算机内的I/O操作,只
包括在网络上进行的操作。网络上的计算机被看作包传送的源和目的结点。特别应该注
意的是:计算机中的不同进程可能同时进行通信,这时它们会用端口号进行区别,不会
把发向A进程的数据由B进程接收的。
进程为了传送数据会调用TCP,将数据和相应的参数传送给TCP,于是TCP会将数据传送到
目的TCP那里,当然这是通过将TCP包打包在IP包内在网络上传送达到的。接收方TCP在接
收到数据后会通信上层应用程序,TCP会保证接收数据顺序的正确性。虽然下层协议可能
不会保证顺序是正确的。这里需要说明的是网关在接收到这个包后,会将包解开,看看
是不是已经到目的地了,如果没有到,应该走什么路由达到目的地,在决定后,网关会
根据下一个网络内的协议情况再次将TCP包打包传送,如果需要,还要把这个包再次分成
几段再传送。这个落地检查的过程是一个耗时的过程。从上面,我们可以看出TCP传送的
基本过程,当然具体过程可能要复杂得多。
在实现TCP的主机上,TCP可以被看成是一个模块,和文件系统区别不大,TCP也可以调用
一些操作系统的功能,TCP不直接和网络打交道,控制网络的任务由专门的设备驱动模块
完成。TCP只是调用IP接口,IP向TCP提供所有TCP需要的服务。通过下图我们可以更清楚
地看到TCP协议的结构。
上面已经说过了,TCP连接是可靠的,而且保证了传送数据包的顺序,保证顺序是用一个
序号来保证的。响应包内也包括一个序列号,表示接收方准备好这个序号的包。在TCP传
送一个数据包时,它同时把这个数据包放入重发队列中,同时启动记数器,如果收到了
关于这个包的确认信息,将此包从队列中删除,如果计时超时则需要重新发送此包。请
注意,从TCP返回的确认信息并不保证最终接收者接收到数据,这个责任由接收方负责。

每个用于传送TCP的通道都有一个端口标记,因为这个标记是由每个TCP终端确定的,因
此TCP可能不唯一,为了保证这个数值的唯一,要使用网络地址和端口号的组合达到唯一
标识的目的,我们称这个为了套接字(Socket),一个连接由连接两端的套接字标识,
本地的套接字可能和不同的外部套接字通信,这种通信是全双工的。
通过向本地端口发送OPEN命令及外部套接字参数建立连接,TCP返回一个标记这个连接的
名称,以后如果用户需要使用这个名称标记这个连接。为了保存这个连接的信息,我们
假设有一个称为传输控制块(Transmission Control Block,TCB)的东西来保存。OPE
N命令还指定这个连接的建立是主动请求还是被动等待请求。下面我们要涉及具体的功能
了,TCP段以internet数据报的形式传送。IP包头传送不同的信息域,包括源地址和目的
地址。TCP头跟在internet包头后面,提供了一些专用于TCP协议的信息。下图是TCP包头
格式图:
源端口:16位;
目的端口:16位
序列码:32位,当SYN出现,序列码实际上是初始序列码(ISN),而第一个数据字节是
ISN 1;
确认码:32位,如果设置了ACK控制位,这个值表示一个准备接收的包的序列码;
数据偏移量:4位,指示何处数据开始;
保留:6位,这些位必须是0;
控制位:6位;
窗口:16位;
校验位:16位;
优先指针:16位,指向后面是优先数据的字节;
选项:长度不定;但长度必须以字节记;选项的具体内容我们结合具体命令来看;
填充:不定长,填充的内容必须为0,它是为了保证包头的结合和数据的开始处偏移量能
够被32整除;
 
我们前面已经说过有一个TCB的东西了,TCB里有存储了包括发送方,接收方的套接字,
用户的发送和接收的缓冲区指针等变量。除了这些还有一些变量和发送接收序列号有关

发送序列变量
SND.UNA - 发送未确认
SND.NXT - 发送下一个
SND.WND - 发送窗口
SND.UP - 发送优先指针
SND.WL1 - 用于最后窗口更新的段序列号
SND.WL2 - 用于最后窗口更新的段确认号
ISS - 初始发送序列号
 
接收序列号
RCV.NXT - 接收下一个
RCV.WND - 接收下一个
RCV.UP - 接收优先指针
IRS - 初始接收序列号
下图会帮助您了解发送序列变量间的关系:
当前段变量
SEG.SEQ - 段序列号
SEG.ACK - 段确认标记
SEG.LEN - 段长
SEG.WND - 段窗口
SEG.UP - 段紧急指针
SEG.PRC - 段优先级
连接进程是通过一系列状态表示的,这些状态有:LISTEN,SYN-SENT,SYN-RECEIVED,
ESTABLISHED,FIN-WAIT-1,FIN-WAIT-2,CLOSE-WAIT,CLOSING,LAST-ACK,TIME-WAI
T和 CLOSED。CLOSED表示没有连接,各个状态的意义如下:
LISTEN - 侦听来自远方TCP端口的连接请求;
SYN-SENT - 在发送连接请求后等待匹配的连接请求;
SYN-RECEIVED - 在收到和发送一个连接请求后等待对连接请求的确认;

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