TCP/IP协议栈与数据包封装图文教程

TFTP是基于文本的协议，各字段之间用字节0分隔，开头的00 01表示请求读取一个文件，接下来的各字段是：

c:\qwerq.qwe

blksize 512

timeout 10

tsize 0

一般的网络通信都是像TFTP协议这样，通信的双方分别是客户端和服务器，客户端主动发起请求（上面的例子就是客户端发起的请求帧），而服务器被动地等待、接收和应答请求。客户端的IP地址和端口号唯一标识了该主机上的TFTP客户端进程，服务器的IP地址和端口号唯一标识了该主机上的TFTP服务进程，由于客户端是主动发起请求的一方，它必须知道服务器的IP地址和TFTP服务进程的端口号，所以，一些常见的网络协议有默认的服务器端口，例如HTTP服务默认TCP协议的80端口，FTP服务默认TCP协议的21端口，TFTP服务默认UDP协议的69端口（如上例所示）。在使用客户端程序时，必须指定服务器的主机名或IP地址，如果不明确指定端口号则采用默认端口，请读者查阅ftp、tftp等程序的man page了解如何指定端口号。/etc/services中列出了所有well-known的服务端口和对应的传输层协议，这是由IANA（Internet Assigned Numbers Authority）规定的，其中有些服务既可以用TCP也可以用UDP，为了清晰，IANA规定这样的服务采用相同的TCP或UDP默认端口号，而另外一些TCP和UDP的相同端口号却对应不同的服务。

很多服务有well-known的端口号，然而客户端程序的端口号却不必是well-known的，往往是每次运行客户端程序时由系统自动分配一个空闲的端口号，用完就释放掉，称为ephemeral的端口号，想想这是为什么。

前面提过，UDP协议不面向连接，也不保证传输的可靠性，例如：

发送端的UDP协议层只管把应用层传来的数据封装成段交给IP协议层就算完成任务了，如果因为网络故障该段无法发到对方，UDP协议层也不会给应用层返回任何错误信息。

接收端的UDP协议层只管把收到的数据根据端口号交给相应的应用程序就算完成任务了，如果发送端发来多个数据包并且在网络上经过不同的路由，到达接收端时顺序已经错乱了，UDP协议层也不保证按发送时的顺序交给应用层。

通常接收端的UDP协议层将收到的数据放在一个固定大小的缓冲区中等待应用程序来提取和处理，如果应用程序提取和处理的速度很慢，而发送端发送的速度很快，就会丢失数据包，UDP协议层并不报告这种错误。

因此，使用UDP协议的应用程序必须考虑到这些可能的问题并实现适当的解决方案，例如等待应答、超时重发、为数据包编号、流量控制等。一般使用UDP协议的应用程序实现都比较简单，只是发送一些对可靠性要求不高的消息，而不发送大量的数据。例如，基于UDP的TFTP协议一般只用于传送小文件（所以才叫trivial的ftp），而基于TCP的FTP协议适用于各种文件的传输。下面看TCP协议如何用面向连接的服务来代替应用程序解决传输的可靠性问题。

7. TCP协议

7.1. 段格式

TCP的段格式如下图所示（该图出自[TCPIP]）。

36.12. TCP段格式

和UDP协议一样也有源端口号和目的端口号，通讯的双方由IP地址和端口号标识。32位序号、32位确认序号、窗口大小稍后详细解释。4位首部长度和IP协议头类似，表示TCP协议头的长度，以4字节为单位，因此TCP协议头最长可以是4×15=60字节，如果没有选项字段，TCP协议头最短20字节。URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN是六个控制位，本节稍后将解释SYN、ACK、FIN、RST四个位，其它位的解释从略。16位检验和将TCP协议头和数据都计算在内。紧急指针和各种选项的解释从略。

7.2. 通讯时序

下图是一次TCP通讯的时序图。

36.13. TCP连接建立断开

在这个例子中，首先客户端主动发起连接、发送请求，然后服务器端响应请求，然后客户端主动关闭连接。两条竖线表示通讯的两端，从上到下表示时间的先后顺序，注意，数据从一端传到网络的另一端也需要时间，所以图中的箭头都是斜的。双方发送的段按时间顺序编号为1-10，各段中的主要信息在箭头上标出，例如段2的箭头上标着SYN, 8000(0), ACK 1001, <mss 1024>，表示该段中的SYN位置1，32位序号是8000，该段不携带有效载荷（数据字节数为0），ACK位置1，32位确认序号是1001，带有一个mss选项值为1024。

建立连接的过程：

客户端发出段1，SYN位表示连接请求。序号是1000，这个序号在网络通讯中用作临时的地址，每发一个数据字节，这个序号要加1，这样在接收端可以根据序号排出数据包的正确顺序，也可以发现丢包的情况，另外，规定SYN位和FIN位也要占一个序号，这次虽然没发数据，但是由于发了SYN位，因此下次再发送应该用序号1001。mss表示最大段尺寸，如果一个段太大，封装成帧后超过了链路层的最大帧长度，就必须在IP层分片，为了避免这种情况，客户端声明自己的最大段尺寸，建议服务器端发来的段不要超过这个长度。

服务器发出段2，也带有SYN位，同时置ACK位表示确认，确认序号是1001，表示"我接收到序号1000及其以前所有的段，请你下次发送序号为1001的段"，也就是应答了客户端的连接请求，同时也给客户端发出一个连接请求，同时声明最大尺寸为1024。

客户端发出段3，对服务器的连接请求进行应答，确认序号是8001。

在这个过程中，客户端和服务器分别给对方发了连接请求，也应答了对方的连接请求，其中服务器的请求和应答在一个段中发出，因此一共有三个段用于建立连接，称为”’三方握手（three-way-handshake）”’。在建立连接的同时，双方协商了一些信息，例如双方发送序号的初始值、最大段尺寸等。

在TCP通讯中，如果一方收到另一方发来的段，读出其中的目的端口号，发现本机并没有任何进程使用这个端口，就会应答一个包含RST位的段给另一方。例如，服务器并没有任何进程使用8080端口，我们却用telnet客户端去连接它，服务器收到客户端发来的SYN段就会应答一个RST段，客户端的telnet程序收到RST段后报告错误Connection refused：

$ telnet 192.168.0.200 8080

Trying 192.168.0.200...

telnet: Unable to connect to remote host: Connection refused

数据传输的过程：

客户端发出段4，包含从序号1001开始的20个字节数据。

服务器发出段5，确认序号为1021，对序号为1001-1020的数据表示确认收到，同时请求发送序号1021开始的数据，服务器在应答的同时也向客户端发送从序号8001开始的10个字节数据，这称为piggyback。

客户端发出段6，对服务器发来的序号为8001-8010的数据表示确认收到，请求发送序号8011开始的数据。

在数据传输过程中，ACK和确认序号是非常重要的，应用程序交给TCP协议发送的数据会暂存在TCP层的发送缓冲区中，发出数据包给对方之后，只有收到对方应答的ACK段才知道该数据包确实发到了对方，可以从发送缓冲区中释放掉了，如果因为网络故障丢失了数据包或者丢失了对方发回的ACK段，经过等待超时后TCP协议自动将发送缓冲区中的数据包重发。

这个例子只描述了最简单的一问一答的情景，实际的TCP数据传输过程可以收发很多数据段，虽然典型的情景是客户端主动请求服务器被动应答，但也不是必须如此，事实上TCP协议为应用层提供了全双工（full-duplex）的服务，双方都可以主动甚至同时给对方发送数据。

如果通讯过程只能采用一问一答的方式，收和发两个方向不能同时传输，在同一时间只允许一个方向的数据传输，则称为”’半双工（half-duplex）”’，假设某种面向连接的协议是半双工的，则只需要一套序号就够了，不需要通讯双方各自维护一套序号，想一想为什么。

关闭连接的过程：

客户端发出段7，FIN位表示关闭连接的请求。

服务器发出段8，应答客户端的关闭连接请求。

服务器发出段9，其中也包含FIN位，向客户端发送关闭连接请求。

客户端发出段10，应答服务器的关闭连接请求。

建立连接的过程是三方握手，而关闭连接通常需要4个段，服务器的应答和关闭连接请求通常不合并在一个段中，因为有连接半关闭的情况，这种情况下客户端关闭连接之后就不能再发送数据给服务器了，但是服务器还可以发送数据给客户端，直到服务器也关闭连接为止，稍后会看到这样的例子。

7.3. 流量控制

介绍UDP时我们描述了这样的问题：如果发送端发送的速度较快，接收端接收到数据后处理的速度较慢，而接收缓冲区的大小是固定的，就会丢失数据。TCP协议通过”’滑动窗口（Sliding Window）”’机制解决这一问题。看下图的通讯过程。

36.14. 滑动窗口

发送端发起连接，声明最大段尺寸是1460，初始序号是0，窗口大小是4K，表示"我的接收缓冲区还有4K字节空闲，你发的数据不要超过4K"。接收端应答连接请求，声明最大段尺寸是1024，初始序号是8000，窗口大小是6K。发送端应答，三方握手结束。

发送端发出段4-9，每个段带1K的数据，发送端根据窗口大小知道接收端的缓冲区满了，因此停止发送数据。

接收端的应用程序提走2K数据，接收缓冲区又有了2K空闲，接收端发出段10，在应答已收到6K数据的同时声明窗口大小为2K。

接收端的应用程序又提走2K数据，接收缓冲区有4K空闲，接收端发出段11，重新声明窗口大小为4K。

发送端发出段12-13，每个段带2K数据，段13同时还包含FIN位。

接收端应答接收到的2K数据（6145-8192），再加上FIN位占一个序号8193，因此应答序号是8194，连接处于半关闭状态，接收端同时声明窗口大小为2K。

接收端的应用程序提走2K数据，接收端重新声明窗口大小为4K。

接收端的应用程序提走剩下的2K数据，接收缓冲区全空，接收端重新声明窗口大小为6K。

接收端的应用程序在提走全部数据后，决定关闭连接，发出段17包含FIN位，发送端应答，连接完全关闭。

上图在接收端用小方块表示1K数据，实心的小方块表示已接收到的数据，虚线框表示接收缓冲区，因此套在虚线框中的空心小方块表示窗口大小，从图中可以看出，随着应用程序提走数据，虚线框是向右滑动的，因此称为滑动窗口。

从这个例子还可以看出，发送端是一K一K地发送数据，而接收端的应用程序可以两K两K地提走数据，当然也有可能一次提走3K或6K数据，或者一次只提走几个字节的数据，也就是说，应用程序所看到的数据是一个整体，或说是一个流（stream），在底层通讯中这些数据可能被拆成很多数据包来发送，但是一个数据包有多少字节对应用程序是不可见的，因此TCP协议是面向流的协议。而UDP是面向消息的协议，每个UDP段都是一条消息，应用程序必须以消息为单位提取数据，不能一次提取任意字节的数据，这一点和TCP是很不同的。

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