TCP和IP协议简单分析

首先TCP和IP是两种不同的协议，它们来七层网络模型中分别在不同的层次，IP协议是网络层的协议，TCP是更高一层的传输层的协议，TCP是建立在IP协议之上的，所以一般把TCP和IP连在一起说TCP/IP协议。

Windows系统的TCP协议栈的数据包默认是1460字节大小，如果一次传输的数据大于这个长度，会把分割成几个长度都不大于1460字节的TCP数据包，每个数据包都会被赋予一个sequnce number（相当于每个数据包的顺序号，凭这个接收端可以知道数据包的前后顺序）

之后TCP的数据包再被包裹上一层IP的数据的头，形成IP数据包在网上传输（其实最后还要包一层以太网数据包，网络上最终传输的都是以太网数据包）。

IP数据包到了目的地后，接收端首先把IP数据包的包头去掉，取出TCP的包。接收端每收到一个TCP的数据包都需要返回给发送端一个ACK的数据包告诉发送端已接到此数据包，如果接收端在一定的时间内没有收到某个数据包的ACK响应，会再次发送这个数据包，这样就保证了数据都能被接收端接收到（因特网上丢数据包是很正常的事，如果没有数据包重发机制，很难保证发送的数据都能被接收端完整的收到）。

每个TCP数据包也是由包头和实际数据组成，包头包含如下主要内容：

l         Source port（2字节）

发送端的端口号

l         Destination port（2字节）

接收端的端口号

TCP包头中只包含双方的端口号，双方的IP地址在IP包的包头，所以在TCP数据包的包头中没有IP地址。

l         Sequence number（4字节）

数据的顺序号，表示当前数据包中的数据起始顺序号，比如前一个数据包的SEQ为十六进制的：df d5 aa 3d ，数据包的实际数据长度为16字节，那么下一个数据包的SEQ就要在前一个数据包的SEQ基础上加上16，为：df d5 aa 4d

l         Acknowledgement number（4字节）

接收到对方的某个数据包后的回应顺序号。如果接收到了对方主动发送来的某个数据包，必须要返回对方一个ACK回应数据包，数据包的头部的Acknowledgement number部分根据对方发送数据的SEQ和实际数据长度，返回SEQ + 实际数据长度，表示已经接收到这个数据包。对方收到这个回应，根据数值计算后知道这个数据包已经被对方接收。如果接收不到ACK的回应，就意味着这个数据包已经在网上被丢失，需要重新发送此数据包。

l         Header length（1字节）

表示TCP数据包的包头长度，整个TCP数据包的长度减包头长度就能得到TCP数据包的实际传送的数据长度。

l         Flags（1字节）

标志字节，每一位都是一个标志，以下是几个主要标志：

ACK – 表示数据包是个ACK回应数据包，表示接收到了对方的某个数据包，具体哪个包由包头的Acknowledgement number部分指示。

PSH – 表示这是个有实际数据的包。

SYN – 表示这是个建立连接的数据包，通讯双方要通讯，总是由客户端先发送SYN数据包到服务端以建立TCP的连接。

FIN – 表示通讯结束，拆除连接的数据包。

 

下面描述一次TCP传送数据的完整过程，以一个客户端向服务端发送一些数据为例。

Figure 1．一次完整的TCP通讯的过程

 

1、 建立连接

TCP是面向连接的协议，客户端和服务端要通讯就必须先建立一个连接。首先通讯双方都有地址，就是IP地址加端口号（IP:Port）标识通讯的每一端，客户端的IP:Port跟服务器IP:Port之间就构成一个socket套接字。所谓建立连接就是在客户端的IP:Port跟服务器IP:Port之间建立一个通道，初始化一些通讯的基础设置，以便以后的数据通讯的正常进行。

1.1.    客户端发送SYN

总是客户端发起连接，首先客户端发送SYN数据包到服务端以建立TCP连接。

SYN数据包只有TCP包头，没有实际数据。

Flags标志字节的SYN位置位，表示是SYN数据包。

Sequence number由客户端随机生成一个4字节的数据，作为本次连接通讯客户端数据的起始顺序号，以后客户端发往服务端的数据包的Sequence number都在此基础上加上每次传送的实际数据长度依次相加递增，这样根据每个数据包的Sequence number就能判断出数据包的前后顺序，以便接收方根据数据包的顺序拼接数据包。

1.2.    服务端回应ACK、SYN

服务端收到客户端的SYN后，首先要发送一个ACK数据包给客户端表示收到了这个数据包。

数据包的Flags标志字节的ACK置位，表示是ACK回应数据包。

Acknowledgement number 设置为接收到的数据包的 SEQ + 数据包实际长度，因为接收到的SYN的实际数据长度为0，但是TCP协议认为实际长度为0的主动发送的数据长度为1，SYN是客户端主动发送的数据包，所以服务端把Acknowledgement number 设置为接收到的数据包的 SEQ + 1。

TCP通讯可以是双向的，一旦建立了连接，服务端也可以向客户端发送数据。

所以服务端也会向客户端发送一个SYN包，数据包的Flags标志字节的SYN置位，表示是SYN数据包，同时随机生成一个4字节的数据，作为本次连接通讯服务端数据的起始顺序号Sequence number。

实际中，服务端把这两个数据包合并为一个数据包，SYN和ACK都是置位，Sequence number和Acknowledgement number也同时设置，作为一个数据包发送回客户端。

1.3.    客户端回应ACK

客户端收到服务端的SYN数据包后，需要回应一个ACK数据包，表示接收到此数据包。同样ACK数据包的Acknowledgement number 设置为接收到的数据包的 SEQ + 1（SYN、ACK数据包的实际数据长度也是0）。

2、 相互收发数据

通讯双方建立了连接后，就可以相互进行数据包的传送。

发送数据的一端，把数据包的Flags标准字节的PSH置位，表示是有实际数据的数据包。

Sequence number置为前一次的数据包的Sequence number加上前一次数据包的长度。

如果数据包还兼做ACK包，则把ACK置位，同时设置好Acknowledgement number把数据包发送到对方。

接收方收到对方主动发送的数据数据包后，一定要回复ACK数据包，如果同时有数据发往对方，可以把实际数据包跟ACK数据包合在一起发送。

在拆除连接之前，通讯双方可以一直相互发送接收数据，数据的顺序都建立在各自的Sequence number基础上。

图1中，蓝色部分的数据通讯就表示这一阶段。

3、 拆除连接

双方数据交换完毕，需要拆除连接，结束通讯。

3.1.    客户端发送FIN

通讯的一方向另一方发送FIN数据包表示要结束通讯，拆除连接。

客户端把数据包的Flags标准字节的FIN置位，表示是通讯结束数据包。

3.2.    服务端返回ACK，FIN

服务端收到客户端的FIN数据包后，先回应一个ACK数据包，然后也发送一个FIN数据包，还是服务端也结束通讯。

3.3.    客户端回应ACK

客户端回应ACK表示接收到服务端的FIN数据，双方通讯结束。