5.3.1 TCP 的特点#

TCP 是在不可靠的 IP 层之上实现的可靠数据传输协议，主要解决传输过程中可能出现的分组丢失、失序、重复和差错等问题。其主要特点如下：

1. TCP 是面向连接的传输层协议，因此引入了建立连接和释放连接的开销。
2. 每一条 TCP 连接只能有两个端点，且仅支持一对一通信。
3. TCP 提供可靠交付服务，保证所传数据无差错、不丢失、不重复且按序到达。
4. TCP 支持全双工通信，允许通信双方的应用进程在任何时候发送数据。为此，TCP 连接的两端均设有发送缓存和接收缓存，用来临时存放双向通信的数据。
5. TCP 是面向字节流的。尽管应用程序与 TCP 的交互是以一个个数据块(大小不等)进行的，但 TCP 将这些数据视为一连串无结构的字节流，并不保留应用层数据块的边界。

TCP 与 UDP 在发送报文的方式上存在本质区别。TCP 并不关心应用进程一次向其缓存发送多长的数据，而是根据对方通告的窗口大小和当前网络的拥塞程度，动态决定一个报文段应包含多少字节(而 UDP 报文的长度由应用进程直接指定)。若应用进程传送到 TCP 缓存的数据块过长，TCP 会将其划分为较短的数据块再传送；若数据块过短，TCP 也可暂存数据，待积累到合适长度后再封装成报文段发送。关于 TCP 报文段长度的控制机制，将在后续章节详细讨论。

5.3.2 TCP 报文段#

TCP 传送的数据单元称为报文段。一个 TCP 报文段分为首部和数据两部分，整个 TCP 报文段作为 IP 数据报的数据部分进行封装。TCP 的全部功能都体现在其首部的各个字段中，因此只有弄清各个字段的作用，才能掌握 TCP 的工作原理。TCP 首部的前 20 个字节是固定的，后面有 4N 字节是根据需要而增加的选项。因此，TCP 首部的最小长度为 20B。

各个字段的意义如下：

1. 源端口和目的端口。各占2B。分别表示发送方和接收方所使用的端口号。
2. 序号。占4B，范围为 $0\sim2^{32}-1$，共 $2^{32}$ 个序号。当序号达到 $2^{32}-1$ 后，下一个序号将回绕到0，即采用模 $2^{32}$ 运算。TCP连接中传送的字节流中的每个字节都按顺序编号，序号字段的值指明了本报文段所发送数据的第一个字节的序号。例如，若某报文段的序号为 301，携带的数据长度为 100B，则该报文段的最后一个数据字节的序号为 400，因此下一个报文段的数据应从序号 401 开始。
3. 确认序号。占4B，表示期望收到对方下一个报文段中第一个数据字节的序号。若确认序号为N，则表明到序号N-1为止的所有数据均已正确接收。例如，B 正确收到了 A 发送的一个报文段，其序号为 501，数据长度为 200B(对应序号 501～700)，说明 B 已完整接收到了到序号 700 为止的数据。因此，B 期望接收的下一个数据字节的序号为 701，于是在发给 A 的确认报文段中将确认序号置为 701。
4. 数据偏移(首部长度)。占4位，用于指出TCP首部的长度。由于首部可能包含长度可变的选项字段，该字段用于指示TCP报文段中数据部分的起始位置距离报文段起始处的偏移量。偏移单位为4B，因此该字段的值乘以4就等于首部长度。TCP首部最小长度为20B，对应数据偏移字段的最小值为5；4位二进制数最大可表示15，因此TCP首部的最大长度为60B(选项长度最多40B)。
5. 保留。占6位，保留为今后使用，但目前须置为0。

下面有6个控制位，各占1位，用来说明本报文段的性质。

6. 紧急位 URG。当 URG=1 时，表明紧急指针字段有效，通知系统本报文段中包含紧急数据，应优先处理。紧急数据被放置在报文段数据的最前面，后续的仍为普通数据，因此需配合紧急指针字段使用。
7. 确认位 ACK。仅当 ACK=1 时，确认序号字段才有效；当 ACK=0 时，确认序号无效。TCP 规定，在连接建立后，所有传送的报文段都必须将 ACK 置为 1。
8. 推送位 PSH(Push)。在交互式通信中，应用进程希望输入命令后能立即收到响应。此时发送方将 PSH 置为 1，接收方收到 PSH=1 的报文段后，会立即将数据交付给应用进程，而不必等到整个缓存填满后才向上交付。
9. 复位位 RST(Reset)。当 RST=1 时，表示 TCP 连接出现严重差错(如主机崩溃)，必须释放连接并重新建立连接。此外，RST 也可用于拒绝非法的报文段或连接请求。
10. 同步位 SYN。当 SYN=1 时，表示这是一个连接请求或连接接受报文。当 SYN=1，ACK=0 时，表明这是一个连接请求报文，若对方同意建立连接，则在响应报文中设置 SYN=1 且 ACK=1。关于连接的建立和释放，将在下一节详细讨论。
11. 终止位 FIN(Finish)。用于释放连接。当 FIN=1 时，表示此报文段的发送方已无更多数据要发送，并请求释放连接。
12. 窗口。占2B，范围为 $0\sim2^{16}-1$，以字节为单位，该字段由本报文段的发送方填写，表示其作为接收方时当前还能接收的最大数据量。它告诉对方(作为发送方)“从本报文段的确认序号所指示的字节序号开始，你最多可以连续发送这么多字节的数据”。例如，若确认序号为701，窗口字段值为1000，这表示发送方可以从序号701开始，连续发送最多1000B的数据(字节序号为701～1700)。
13. 检验和。占2B。检验范围包括首部和数据部分。计算时需在TCP报文段前添加一个12B的伪首部(与UDP类似，只需将协议字段由17改成6，长度字段改成TCP长度)。
14. 紧急指针。占2B。仅在URG=1时有效，指出本报文段中紧急数据的字节数(紧急数据位于数据部分的开头)。即使接收窗口为零，仍可发送紧急数据。
15. 选项。长度可变，最长可达40B。若不使用选项，TCP首部长度即为20B。TCP最初只定义了一种选项，即最大报文段长度(Maximum Segment Size，MSS)，它表示TCP报文段中数据字段的最大长度。后续又增加了窗口扩大、时间戳等选项，具体内容请参见教材。注意，与MSS类似，数据链路层的MTU指的是帧中数据部分的最大长度。
16. 填充。用于确保整个首部长度为4B的整数倍，这是由于选项字段的长度是可变的。

5.3.3 TCP 连接管理#

TCP 是面向连接的协议，因此每条 TCP 连接都包含三个阶段：连接建立、数据传送和连接释放。TCP 连接管理的目标是确保连接的建立与释放能够正常、可靠地进行。

在 TCP 连接建立过程中，需解决以下三个问题：

1. 使通信双方确知对方的存在。
2. 允许双方协商相关参数(如最大窗口值、是否使用窗口扩大选项、时间戳选项等)。
3. 为传输实体分配必要的资源(如缓存空间、连接表项等)。

TCP 将连接作为最基本的抽象。每条 TCP 连接有两个端点，这些端点既不是主机、IP 地址，也不是应用进程或传输层端口，而是套接字(Socket)。一条 TCP 连接由通信双方的两个套接字唯一确定。需要注意的是：同一个 IP 地址可以参与多个不同的 TCP 连接，同一个端口号也可以出现在多个不同的 TCP 连接中。

TCP 连接的建立采用客户/服务器模式。主动发起连接建立的应用进程称为客户(Client)，被动等待连接请求的应用进程称为服务器(Server)。

5.3.4 TCP 可靠传输#

TCP 在不可靠的 IP 层之上提供可靠传输服务，确保接收方从缓存中读取的字节流与发送方发出的字节流完全一致。TCP 通过检验、序号、确认和重传等机制实现这一目的。其中，TCP 的检验机制与 UDP 类似，这里不再赘述。

5.3.5 TCP 流量控制#

流量控制的功能是确保发送方的发送速率不会过快，以便让接收方能够及时处理。因此，可以说流量控制是一种速度匹配服务，它匹配发送方的发送速率与接收方的读取速率。

TCP 利用滑动窗口机制来实现流量控制。滑动窗口的基本原理已在第 3 章介绍过，这里重点讨论 TCP 如何使用窗口机制进行流量控制。TCP 要求接收方维持一个接收窗口(rwnd)，该窗口大小根据当前接收缓存的大小动态调整，反映了接收方的容量。接收方将此窗口值写入 TCP 首部的“窗口”字段，以通知发送方。发送方的发送窗口不能超过接收方给出的接收窗口值，从而限制发送方向网络注入报文的速率。

如何利用滑动窗口进行流量控制。假设数据仅从 A 发往 B，而 B 仅向 A 发送确认报文段，则 B 可通过设置确认报文段首部中的窗口字段来通知 A 当前的 rwnd 值。rwnd 表示接收方允许连续接收的最大字节数。发送方 A 总是根据最新收到的 rwnd 值来限制自己发送窗口的大小，从而将未确认的数据量控制在 rwnd 大小之内，确保 A 不会使 B 的接收缓存溢出。

假设在连接建立时，B 告诉 A：“我的接收窗口 rwnd=400”。我们注意到，接收方 B 进行了三次流量控制，这三个报文段都设置了 ACK=1，只有当 ACK=1 时，确认序号字段才有意义。第一次将窗口减至 rwnd=300，第二次减至 rwnd=100，最后减至 rwnd=0，即不允许发送方再发送数据。这使得发送方暂停发送的状态将持续到 B 重新发出一个新的窗口值为止。

假设 B 向 A 发送了零窗口通知后不久，B 的接收缓存又有了一些存储空间，于是 B 向 A 发送非零窗口通知，然而这个报文段在传输过程中丢失了。若不采取其他措施，则 B 和 A 会陷入相互等待的死锁状态。为此，TCP 为每个连接设有一个持续计时器。只要发送方收到对方的零窗口通知，就启动持续计时器。若计时器超时，则发送方发送一个零窗口探测报文段，而对方会在确认该探测报文段时给出当前的窗口值。若窗口仍然是零，则发送方收到确认报文段后重新设置持续计时器；若窗口不是零，则死锁状态就可以打破了。

传输层和数据链路层的流量控制的区别是：传输层实现的是端到端，即两个进程之间的流量控制；数据链路层实现的是相邻节点之间的流量控制。此外，数据链路层的滑动窗口协议的窗口大小一般为固定值，而传输层的窗口大小可以根据接收方的缓存情况动态变化。

5.3.6 TCP 拥塞控制#

拥塞控制是指防止过多的数据注入网络，以保证网络中的路由器或链路不致过载。出现拥塞时，通信端点通常无法直接获知拥塞的具体细节，只能通过表现(如时延增加)间接感知。

拥塞控制与流量控制的区别：拥塞控制的目标是使网络能够承受当前的负载，是一个全局性过程，涉及所有主机、路由器及影响网络性能的各种因素。而流量控制则关注点对点通信中接收方的处理能力，是一个端到端的问题，由接收方通过窗口机制抑制发送方的发送速率，以确保自身能及时接收数据。尽管二者目标不同，但都是通过调节发送方的发送速率来实现控制效果的。

例如，某链路的传输速率为10Gb/s，当一台大型机以1Gb/s的速率向一台PC传送文件时，显然网络带宽充足，不存在拥塞问题；但由于PC的处理能力有限，可能来不及接收如此高速的数据流，因此必须进行流量控制。反之，若有100万台PC同时以1Mb/s的速率通过该链路传输文件，则问题就转变为网络总负载是否超出了其承载能力，这时需要依赖拥塞控制。

TCP 采用四种算法进行拥塞控制：慢开始、拥塞避免、快重传和快恢复。

发送方在确定数据的发送速率时，既要考虑接收方的接收能力，也要从全局角度避免引发网络拥塞。因此，除了上节介绍的接收窗口，TCP还要求发送方维护一个拥塞窗口(cwnd)，其大小取决于当前网络的拥塞状况，并动态调整。其控制原则是：

• 若网络未出现拥塞，则适当增大 cwnd，以便把更多分组发送出去，提高网络利用率。
• 若检测到网络拥塞，则适当减少 cwnd，以减少注入网络的分组数量，缓解网络拥塞。通常，只要发送方未按时收到确认(发生了超时)，即可认为网络出现了拥塞。

发送窗口的上限值应取接收窗口(rwnd)和拥塞窗口(cwnd)中较小的一个，即

接收窗口的大小可通过 TCP 首部中的 “窗口” 字段由接收方通知发送方。那么，发送方如何维护拥塞窗口呢？这正是下面要介绍的慢开始和拥塞避免算法所解决的问题。为便于分析，这里假设：数据仅单向传输，接收方只发送确认报文；接收方拥有足够大的缓存空间，因此发送窗口的大小仅受拥塞窗口的限制；并且以最大报文段长度 MSS 作为拥塞窗口大小的单位。