1.TCP协议特点

TCP是面向连接（虚连接）的传输层协议。
每一条TCP连接只能有两个端点，每一条TCP连接只能是点对点的
TCP提供可靠交付的服务，无差错、不丢失、不重复、按序到达。可靠有序，不丢不重。
TCP提供全双工通信
- 发送缓存：准备发送的数据 & 已发送但尚未收到确认的数据
- 接收缓存：按序到达但尚未被接受应用程序读取的数据 & 不按序到达的数据
TCP面向字节流
- TCP把应用程序交下来的数据堪称仅仅是一连串的无结构的字节流。
- 流：流入到进程或从进程流出的字节序列

2.TCP报文段首部格式

TCP传送的数据单元称为报文段。一个TCP报文段分为TCP首部和TCP数据两部分，整个TCP报文段作为IP数据报的数据部分封装在IP数据报中

其首部的前20B是固定的。TCP报文段的首部最短为20B，后面有4N字节是根据需要而增加的选项，通常长度为4B的整数倍。

TCP报文段既可以用来运载数据，又可以用来建立连接、释放连接和应答。

序号：占4B。在一个TCP连接中传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号，本字段表示本报文段所发送数据的第一个字节的序号。
确认号：占4B, 期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。若确认号为N，则证明到序号N-1为止的所有数据都己正确收到。
数据偏移（首部长度）：TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远，以4B位单位，即1个数值是4B。

6个控制位

紧急位URG：URG=1时，标明此报文段中有紧急数据，是高优先级的数据，应尽快传送，不用在缓存里排队，配合紧急指针字段使用。
确认位ACK：ACK=1时确认号有效，在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK置为1。
推送位PSH：PSH=1时，接收方尽快交付接收应用进程，不再等到缓存填满再向上交付。
复位RST：RST=1时，表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立传输链接。
同步位SYN：SYN=1时，表明是一个连接请求／连接接受报文。
终止位FIN：FIN=1时，表明此报文段发送方数据己发完，要求释放连接。

其他

窗口：占2B。指的是发送本报文段的一方的接收窗口，即现在允许对方发送的数据量。
检验和：占2B。检验首部+数据，检验时要加上12B伪首部，第四个字段为6。
紧急指针：占16 位。URG蚓时才有意义，指出本报文段中紧急数据的字节数。
选项：长度可变。最大报文段长度MSS、窗口扩大、时间戳、选择确认 ……

3.TCP连接管理

TCP连接传输三个阶段：

TCP连接的建立采用客户服务器方式，主动发起连接建立的应用进程叫做客户，而被动等待连接建立的应用进程叫服务器。

在TCP连接建立的过程中，要解决以下三个问题:

要使每一方都能够确知对方的存在。
要允许双方协商一些参数(如最大窗口值、是否使用窗口扩大选项、时间戳选项及服务质量等)。
能够对运输实体资源( 如缓存大小、连接表中的项目等)进行分配。

3.1 TCP的连接建立（三次握手）

seq为序号字段，标明本次报文段数据部分的第一个字节的序号
ack是确认号字段，告诉对方我接下来应该接收的数据是从字节序号ack开始的数据
ACK是确认位,0时确认号字段ack无效，1时确认号字段ack有效
SYN是同步位

TCP提供的是全双工通信，因此通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据。

服务器端的资源是在完成第二次握手时分配的
而客户端的资源是在完成第三次握手时分配的，这就使得服务器易于受到SYN洪泛攻击。

ROUND1

客户端发送连接请求报文段，无应用层数据。

SYN=1，seq=x(随机)

ROUND2

服务器端为该TCP连接分配缓存和变量，并向客户端返回确认报文段，允许连接，无应用层数据。

SYN=1，ACK=1，seq=y(随机)，ack=x+l

ROUND3

客户端为该TCP连接分配缓存和变量，并向服务器端返回确认的确认，可以携带数据。

SYN=0，ACK=1，seq=x+1，ack=y+l

3.2 SYN洪泛攻击

SYN洪泛攻击发生在OSI第四层，这种方式利用TCP协议的特性，就是三次握手。
攻击者发送TCP SYN，SYN是TCP三次握手中的第一个数据包，而当服务器返回ACK后，该攻击者就不对其进行再确认，那这个TCP连接就处于挂起状态，也就是所谓的半连接状态，服务器收不到再确认的话，还会重复发送ACK给攻击者。
这样更加会浪费服务器的资源。
攻击者就对服务器发送非常大量的这种TCP连接，由于每一个都没法完成三次握手，所以在服务器上，这些TCP连接会因为挂起状态而消耗CPU和内存，最后服务器可能死机，就无法为正常用户提供服务。

3.3 TCP的连接释放（四次挥手）

参与一条TCP连接的两个进程中的任何一个都能终止该连接，连接结束后，主机中“资源”（缓存和变量）将被释放。

ROUND1

客户端发送连接释放报文段，停止发送数据，主动关闭TCP连接。

FIN=1，seq=u

ROUND2

服务器端回送一个确认报文段，客户到服务器这个方向的连接就释放了一一半关闭状态。

ACK=1，seq=v，ack=u+1

ROUND3

服务器端发完数据，就发出连接释放报文段，主动关闭TCP连接。

FIN=1，ACK=1，seq=w，ack=u+1

ROUND4

客户端回送一个确认报文段，再等到时间等待计时器设置的2MSL（最长报文段寿命）后，连接彻底关闭。

ACK=1，seq=u+1，ack=w+1

4.TCP可靠传输

可靠：保证接收方从缓存区读出的字节流与发送方发出的字节流是完全一样的。

TCP实现可靠传输的机制：校验、序号、确认、重传

4.1 校验

与UDP校验一样，增加伪首部

4.2序号

一个字节占一个序号。

序号字段指的是一个报文段第一个字节的序号

4.3 确认

4.4 重传

确认重传不分家，TCP的发送方在规定的时间内没有收到确认就要重传已发送的报文段。超时重传。

TCP采用自适应算法，动态改变重传时间RTTs（加权平均往返时间）

4.5冗余ACK（冗余确认）

每当比期望序号大的失序报文段到达时，发送一个冗余ACK，指明下一个期待字节的序号。

如：发送方已发送1，2，3，4，5报文段

接收方收到1，返回给1的确认（确认号为2的第一个字节）
接收方收到3，仍返回给1的确认（确认号为2的第一个字节）
接收方收到4，仍返回给1的确认（确认号为2的第一个字节）
接收方收到5，仍返回给1的确认（确认号为2的第一个字节）
发送方收到3个对于报文段1的冗余ACK → 认为2报文段丢失，重传2号报文段。快速重传

5.TCP流量控制

流量控制：让发送方慢点，要让接收方来得及接收。

TCP利用滑动窗口机制实现流量控制。

在通信过程中，接收方根据自己接收缓存的大小，动态地调整发送方的发送窗口大小，即接受窗口rwnd（接收方设置确认报文段的窗口字段来将rwnd通知给发送方），发送方的发送窗口取接收窗口rwnd和拥塞窗口cwnd的最小值。

5.1 示例

A向B发送数据，连接建立时，B告诉A：“我的rwnd=400（字节）”，设每一个报文段100B，报文段序号初始值为1.

0窗口：相当于操作系统中的死锁。TCP为每一个连接设有一个持续计时器，只要TCP连接的一方接收到对方的零窗口通知，就启动持续计时器。

若持续计时器设置的时间到期，就发送一个零窗口探测报文段。接收方收到探测报文段给出现在的窗口之。

若窗口仍然是0，那么发送方就重新设置持续计时器。

传输层和数据链路层的流量控制的区别是:

传输层定义端到端用户之间的流量控制，数据链路层定义两个中间的相邻结点的流量控制。
另外，数据链路层的滑动窗口协议的窗口大小不能动态变化，传输层的则可以动态变化。

6.TCP拥塞控制

所谓拥塞控制，是指防止过多的数据注入网络，保证网络中的路由器或链路不致过载。

出现拥塞的条件：对资源需求的总和 > 可用资源

网络中有许多资源同时呈现供应不足 → 网络性能变坏 → 网络吞吐量将随输入负荷增大而下降

拥塞控制：防止过多的数据注入到网络中。全局性。

拥塞控制的四种算法：慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复

6.0假定

数据单方向传送，而另一个方式只传送确认
接收方总是有足够大的缓存空间，因而发送窗口大小取决于拥塞程度 发送窗口=Min{接收窗口rwnd，拥塞窗Licwnd}

发送窗口：接收方根据接受缓存设置的值，并告知给发送方，反映接收方容量。

接受窗口：发送方根据自己估算的网络拥塞程度而设置的窗口值，反映网络当前容量。

6.1慢开始和拥塞避免

这里开始时以指数形式增长，ssthresh的意思是慢开始门限，代表从这个地方注入的报文段就比较多了，需要开始慢速增加了。
之后一段都是线性增长，每次增加1，直至达到网络拥塞状态，瞬间将cwnd设置为1，
同时调整原来的ssthresh的值到之前达到网络拥塞状态的1/2,（这里是24降到12）
重复以上步骤，但是注意此时ssthresh变了之后线性增长的转折点也变了

一个传输轮次：

发送了一批报文段并收到他们的确认的时间。
一个往返时延RTT
开始发送一批拥塞窗口内的报文段到开始发送下一批拥塞窗口内的报文段的时间。

6.2快重传和快恢复

这里和上面的慢开始和拥塞避免的一开始步骤差不多，都是先指数增长再转变为线性增长。
不同的点是快重传和快恢复算法是在收到连续的ack确认之后执行，这里的ack就是冗余ack，冗余ack的特点是如果多次对某一段请求的数据没有被收到，达到一定数目之后就会立即执行重传。
但是此时只是降到现在cwnd的一半，再重新线性增长。而不是像慢开始和拥塞避免的从头开始