从TCP头看TCP协议 为什么要有网络分层 从TCP头看TC

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为什么要有网络分层

网络的五层/七层架构模型时一个老生常谈的问题，分层的目的是为了让各层独立负责各自的工作，实现每层协议的标准化。分层后的网络架构中，发送数据时由上层传递到下层，每层对报文增加协议头后传递给下层；接收数据时由下层传递到上层，每层对报文解析协议头后传递给上层。如下图所示

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本文主要阐述传输层的TCP协议，从TCP头入手，用通俗的语言讲清楚TCP协议。

从TCP头看TCP协议

三次握手

三次握手的目的是为了保证数据的可靠性，是TCP协议的重要特点之一
用通俗的话来阐述A和B进行三次握手

  1. A对B说：我的序列号是x，你准备好了吗？
  2. B对A说：我确认收到了你的x序列号报文，我的序列号是y，你准备好了吗？
  3. A对B说：我确认收到了你的y序列号报文，我的序列号是x+1

根据上面的描述，我们需要两个标志位

  1. SYN（synchronize）是指这个报文的目的是同步连接需要，即用于表示“你准备好了吗？”。
  2. ACK（acknowledge）是指确认报文，即“我确认收到了你的报文”。
    还需要两个值
  3. seq（sequence number）是报文的序列号，即“我的序列号是x”，每个报文都应该有序列号用于表示顺序。
  4. ack（acknowledge number）是报文应答的确认号，即“我确认收到了你的x序列号报文”，如果接收了x序列号的报文，确认号为x+1。

这样我们可以表示出三次握手的具体报文为

  1. A向B发送：SYN=1，seq=x
  2. B向A发送：SYN=1，seq=y，ACK=1，ack=x+1
  3. A向B发送：seq=x+1，ACK=1，ack=y+1

TCP头如下图所示，其包含了三次握手中需要的标志位（SYN、ACK）和两个值（序号和确认号）。

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在三次握手中初步展示了TCP头的格式，本节我们根据TCP头来看一下TCP协议。

数据是如何传递给不同进程的

进程各自占据了单独的端口号，因此只要知道了端口，就能知道数据应该传递给哪个应用。在TCP头部保存源端口和目的端口，从而知晓这个数据是从哪里来要到哪里去，接收方拿到数据包后调换源端口和目的端口后回传数据。

如何发送并接收字节流

TCP是一个基于字节流的协议，发送和接收的数据都是字节流，TCP协议通过设置发送和接收窗口来完成数据的传递。这两个窗口的大小不固定，因而称为滑动窗口，这样可以在各种网络条件下保证接收方来得及接收。那么接收方是如何告知发送方这个窗口的大小呢，这就靠TCP头中的“窗口”部分进行控制。

以下图为例，接收方告知发送方当前的窗口值为20字节，那么发送窗口从收到确认的最后一个字节（即30）开始，设定了[31,50]的发送窗口，该窗口内字节允许被发送；接收方在收到一系列有序的字节后，对最后一个按序收到的字节进行确认。

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从TCP头中可以看出，这个窗口值的大小使用2字节表示，最大只能到64KB，这显然是不够的。因此TCP后来引入了缩放因子，用于对窗口值大小的倍率转换。这个值作为扩展字段在TCP头中的“选项”中存储，使用「种类，长度，值」三元组进行表示，窗口缩放值的种类值为3。

四次挥手

  1. A对B说：我的序列号为x，我要关闭连接
  2. B对A说：我确认收到了你的x序列号报文，我的序列号为y
  3. B向A发送完剩余的数据
  4. B对A说：我确认收到了你的x序列号报文，我的序列号为z，我要关闭链接
  5. A对B说：我确认收到了你的z序列号报文

根据上面的描述，除了ACK外还需要一个标志位FIN

FIN（finish）：告诉对方我要关闭连接，之后不再发送数据。

这样我们可以表示出四次挥手的具体报文为

  1. A向B发送：seq=x，FIN=1
  2. B向A发送：seq=y，ACK=1，ack=x+1
  3. B向A发送完剩余的数据
  4. B向A发送：seq=z，ACK=1，ack=x+1，FIN=1
  5. A向B发送：seq=x+1，ACK=1，ack=z+1

^C中断请求

control+c 是我们常用的中断方法，对于基于字节流的TCP协议来说，接收方需要知道哪些数据是紧急数据，正如这个中断请求，需要被加急处理。其实现起来需要让接收方知道这个报文“是否包含紧急数据？”、“紧急数据是什么？”，这就要一个标识位和一个指示数据范围的值，这就是我们在TCP头中看到的URG标识位和紧急指针字段

URG（urgent）：告诉对方这个报文中包含紧急数据

紧急指针：指出报文中紧急数据的截止位，其开始位是从序号seq开始，因此紧急数据的范围是[seq, urgent pointer]

下面引自RFC1122

the urgent pointer points to the sequence number of the LAST octet (not LAST+1) in a sequence of urgent data

为什么基于TCP的SSH可以使用短命令？

为了高效地进行数据的收发，TCP协议在请求侧和发送侧都设有缓冲区用于存储数据，如下图所示

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那么对于短命令（例如ssh登陆），如何保证在传输层绕过缓冲区，发送侧立即将报文交给下游处理，接收侧立即将数据返回给上层？

答案就是TCP头中的PUSH标志位。

PUSH标志位被置为1时，报文数据会被立即处理，而不是等待其他数据进入缓冲区后再处理。注意这个标志位通常不是在应用层进行设置，而是在TCP层清空并发送缓存，将报文段交给IP层时有TCP进行设置的。

本文转载自: 掘金

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