傳輸控制協議（Transmission Control Protocol, TCP）

TCP協議主為了在主機間實現高可靠性的包交換傳輸協議。本文將描述協議標準和實現的一些方法。因為計算機網絡在現代社會中已經是不可缺少的了，TCP協議主要在網絡不可靠的時候完成通信，對軍方可能特別有用，但是對于政府和商用部門也適用。TCP是面向連接的端到端的可靠協議。它支持多種網絡應用程序。TCP對下層服務沒有多少要求，它假定下層只能提供不可靠的數據報服務，它可以在多種硬件構成的網絡上運行。下面的圖是TCP在層次式結構中的位置，它的下層是IP協議，TCP可以根據IP協議提供的服務傳送大小不定的數據，IP協議負責對數據進行分段，重組，在多種網絡中傳送。

TCP的上面就是應用程序，下面是IP協議，上層接口包括一系列類似于操作系統中斷的調用。對于上層應用程序來說，TCP應該能夠異步傳送數據。下層接口我們假定為IP協議接口。為了在并不可靠的網絡上實現面向連接的可靠的傳送數據，TCP必須解決可靠性，流量控制的問題，必須能夠為上層應用程序提供多個接口，同時為多個應用程序提供數據，同時TCP必須解決連接問題，這樣TCP才能稱得上是面向連接的，最后，TCP也必須能夠解決通信安全性的問題。

網絡環境包括由網關（或其它設備）連接的網絡，網絡可以是局域網也可以是一些城域網或廣域網，但無論它們是什么，它們必須是基于包交換的。主機上不同的協議有不同的端口號，一對進程通過這個端口號進行通信。這個通信不包括計算機內的I/O操作，只包括在網絡上進行的操作。網絡上的計算機被看作包傳送的源和目的結點。特別應該注意的是：計算機中的不同進程可能同時進行通信，這時它們會用端口號進行區別，不會把發向A進程的數據由B進程接收的。

進程為了傳送數據會調用TCP，將數據和相應的參數傳送給TCP，于是TCP會將數據傳送到目的TCP那里，當然這是通過將TCP包打包在IP包內在網絡上傳送達到的。接收方TCP在接收到數據后會通信上層應用程序，TCP會保證接收數據順序的正確性。雖然下層協議可能不會保證順序是正確的。這里需要說明的是網關在接收到這個包后，會將包解開，看看是不是已經到目的地了，如果沒有到，應該走什么路由達到目的地，在決定后，網關會根據下一個網絡內的協議情況再次將TCP包打包傳送，如果需要，還要把這個包再次分成幾段再傳送。這個落地檢查的過程是一個耗時的過程。從上面，我們可以看出TCP傳送的基本過程，當然具體過程可能要復雜得多。

在實現TCP的主機上，TCP可以被看成是一個模塊，和文件系統區別不大，TCP也可以調用一些操作系統的功能，TCP不直接和網絡打交道，控制網絡的任務由專門的設備驅動模塊完成。TCP只是調用IP接口，IP向TCP提供所有TCP需要的服務。通過下圖我們可以更清楚地看到TCP協議的結構。

上面已經說過了，TCP連接是可靠的，而且保證了傳送數據包的順序，保證順序是用一個序號來保證的。響應包內也包括一個序列號，表示接收方準備好這個序號的包。在TCP傳送一個數據包時，它同時把這個數據包放入重發隊列中，同時啟動記數器，如果收到了關于這個包的確認信息，將此包從隊列中刪除，如果計時超時則需要重新發送此包。請注意，從TCP返回的確認信息并不保證最終接收者接收到數據，這個責任由接收方負責。

每個用于傳送TCP的通道都有一個端口標記，因為這個標記是由每個TCP終端確定的，因此TCP可能不唯一，為了保證這個數值的唯一，要使用網絡地址和端口號的組合達到唯一標識的目的，我們稱這個為了套接字（Socket），一個連接由連接兩端的套接字標識，本地的套接字可能和不同的外部套接字通信，這種通信是全雙工的。

通過向本地端口發送OPEN命令及外部套接字參數建立連接，TCP返回一個標記這個連接的名稱，以后如果用戶需要使用這個名稱標記這個連接。為了保存這個連接的信息，我們假設有一個稱為傳輸控制塊（Transmission Control Block，TCB）的東西來保存。OPEN命令還指定這個連接的建立是主動請求還是被動等待請求。下面我們要涉及具體的功能了，TCP段以internet數據報的形式傳送。IP包頭傳送不同的信息域，包括源地址和目的地址。TCP頭跟在internet包頭后面，提供了一些專用于TCP協議的信息。下圖是TCP包頭格式圖：

源端口：16位；

目的端口：16位

序列碼：32位，當SYN出現，序列碼實際上是初始序列碼（ISN），而第一個數據字節是ISN 1；

確認碼：32位，如果設置了ACK控制位，這個值表示一個準備接收的包的序列碼；

數據偏移量：4位，指示何處數據開始；

保留：6位，這些位必須是0；

控制位：6位；

窗口：16位；

校驗位：16位；

優先指針：16位，指向后面是優先數據的字節；

選項：長度不定；但長度必須以字節記；選項的具體內容我們結合具體命令來看；

填充：不定長，填充的內容必須為0，它是為了保證包頭的結合和數據的開始處偏移量能夠被32整除；

我們前面已經說過有一個TCB的東西了，TCB里有存儲了包括發送方，接收方的套接字，用戶的發送和接收的緩沖區指針等變量。除了這些還有一些變量和發送接收序列號有關：

發送序列變量

SND.UNA - 發送未確認

SND.NXT - 發送下一個

SND.WND - 發送窗口

SND.UP - 發送優先指針

SND.WL1 - 用于最后窗口更新的段序列號