TCP/IP協議

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轉載 TCP/IP 協議簡單分析

首先TCP和IP是兩種不同的協議，它們來七層網路模型中分別在不同的層次，IP協議是網路層的協議，TCP是更高一層的傳輸層的協議，TCP是建立在IP協議之上的，所以一般把TCP和IP連在一起說TCP/IP協議。

Windows系統的TCP協議棧的資料包預設是1460位元組大小，如果一次傳輸的資料大於這個長度，會把分割成幾個長度都不大於1460位元組的TCP資料包，每個資料包都會被賦予一個sequnce number（相當於每個資料包的順序號，憑這個接收端可以知道資料包的前後順序）

之後TCP的資料包再被包裹上一層IP的資料的頭，形成IP資料包在網上傳輸（其實最後還要包一層乙太網路資料包，網路上最終傳輸的都是乙太網路資料包）。

IP資料包到了目的地後，接收端首先把IP資料包的包頭去掉，取出TCP的包。接收端每收到一個TCP的資料包都需要返回給發送端一個ACK的資料包告訴發送端已接到此資料包，如果接收端在一定的時間內沒有收到某個資料包的ACK響應，會再次發送這個資料包，這樣就保證了資料都能被接收端接收到（網際網路上丟資料包是很正常的事，如果沒有資料包重發機制，很難保證發送的資料都能被接收端完整的收到）。

每個TCP資料包也是由包頭和實際資料群組成，包頭包含如下主要內容：

l         Source port（2位元組）

發送端的連接埠號碼

l         Destination port（2位元組）

接收端的連接埠號碼

TCP包頭中只包含雙方的連接埠號碼，雙方的IP地址在IP包的包頭，所以在TCP資料包的包頭中沒有IP地址。

l         Sequence number（4位元組）

資料的順序號，表示當前資料包中的資料起始順序號，比如前一個資料包的SEQ為十六進位的：df d5 aa 3d ，資料包的實際資料長度為16位元組，那麼下一個資料包的SEQ就要在前一個資料包的SEQ基礎上加上16，為：df d5 aa 4d

l         Acknowledgement number（4位元組）

接收到對方的某個資料包後的回應順序號。如果接收到了對方主動發送來的某個資料包，必須要返回對方一個ACK回應資料包，資料包的頭部的Acknowledgement number部分根據對方發送資料的SEQ和實際資料長度，返回SEQ + 實際資料長度，表示已經接收到這個資料包。對方收到這個回應，根據數值計算後知道這個資料包已經被對方接收。如果接收不到ACK的回應，就意味著這個資料包已經在網上被丟失，需要重新發送此資料包。

l         Header length（1位元組）

表示TCP資料包的包頭長度，整個TCP資料包的長度減包頭長度就能得到TCP資料包的實際傳送的資料長度。

l         Flags（1位元組）

標誌位元組，每一位都是一個標誌，以下是幾個主要標誌：

ACK – 表示資料包是個ACK回應資料包，表示接收到了對方的某個資料包，具體哪個包由包頭的Acknowledgement number部分指示。

PSH – 表示這是個有實際資料的包。

SYN – 表示這是個建立串連的資料包，通訊雙方要通訊，總是由用戶端先發送SYN資料包到服務端以建立TCP的串連。

FIN – 表示通訊結束，拆除串連的資料包。

 

下面描述一次TCP傳送資料的完整過程，以一個用戶端向服務端發送一些資料為例。

 

Figure 1．一次完整的TCP通訊的過程

 

1、 建立串連

TCP是連線導向的協議，用戶端和服務端要通訊就必須先建立一個串連。首先通訊雙方都有地址，就是IP地址加連接埠號碼（IP:Port）標識通訊的每一端，用戶端的IP:Port跟伺服器IP:Port之間就構成一個socket通訊端。所謂建立串連就是在用戶端的IP:Port跟伺服器IP:Port之間建立一個通道，初始化一些通訊的基礎設定，以便以後的資料通訊的正常進行。

1.1.    用戶端發送SYN

總是用戶端發起串連，首先用戶端發送SYN資料包到服務端以建立TCP串連。

SYN資料包只有TCP包頭，沒有實際資料。

Flags標誌位元組的SYN位置位，表示是SYN資料包。

Sequence number由用戶端隨機產生一個4位元組的資料，作為本次串連通訊用戶端資料的起始順序號，以後用戶端發往服務端的資料包的Sequence number都在此基礎上加上每次傳送的實際資料長度依次相加遞增，這樣根據每個資料包的Sequence number就能判斷出資料包的前後順序，以便接收方根據資料包的順序拼接資料包。

1.2.    服務端回應ACK、SYN

服務端收到用戶端的SYN後，首先要發送一個ACK資料包給用戶端表示收到了這個資料包。

資料包的Flags標誌位元組的ACK置位，表示是ACK回應資料包。

Acknowledgement number 設定為接收到的資料包的 SEQ + 資料包實際長度，因為接收到的SYN的實際資料長度為0，但是TCP協議認為實際長度為0的主動發送的資料長度為1，SYN是用戶端主動發送的資料包，所以服務端把Acknowledgement number 設定為接收到的資料包的 SEQ + 1。

TCP通訊可以是雙向的，一旦建立了串連，服務端也可以向用戶端發送資料。

所以服務端也會向用戶端發送一個SYN包，資料包的Flags標誌位元組的SYN置位，表示是SYN資料包，同時隨機產生一個4位元組的資料，作為本次串連通訊服務端資料的起始順序號Sequence number。

實際中，服務端把這兩個資料包合并為一個資料包，SYN和ACK都是置位，Sequence number和Acknowledgement number也同時設定，作為一個資料包發送回用戶端。

1.3.    用戶端回應ACK

用戶端收到服務端的SYN資料包後，需要回應一個ACK資料包，表示接收到此資料包。同樣ACK資料包的Acknowledgement number 設定為接收到的資料包的 SEQ + 1（SYN、ACK資料包的實際資料長度也是0）。

2、 相互收發資料

通訊雙方建立了串連後，就可以相互進行資料包的傳送。

發送資料的一端，把資料包的Flags標準位元組的PSH置位，表示是有實際資料的資料包。

Sequence number置為前一次的資料包的Sequence number加上前一次資料包的長度。

如果資料包還兼做ACK包，則把ACK置位，同時設定好Acknowledgement number把資料包發送到對方。

接收方收到對方主動發送的資料資料包後，一定要回複ACK資料包，如果同時有資料發往對方，可以把實際資料包跟ACK資料包合在一起發送。

在拆除串連之前，通訊雙方可以一直相互發送接收資料，資料的順序都建立在各自的Sequence number基礎上。

圖1中，藍色部分的資料通訊就表示這一階段。

3、 拆除串連

雙方資料交換完畢，需要拆除串連，結束通訊。

3.1.    用戶端發送FIN

通訊的一方向另一方發送FIN資料包表示要結束通訊，拆除串連。

用戶端把資料包的Flags標準位元組的FIN置位，表示是通訊結束資料包。

3.2.    服務端返回ACK，FIN

服務端收到用戶端的FIN資料包後，先回應一個ACK資料包，然後也發送一個FIN資料包，還是服務端也結束通訊。

3.3.    用戶端回應ACK

用戶端回應ACK表示接收到服務端的FIN資料，雙方通訊結束。