传输控制协议

传输控制协议（英语：TransmissionControlProtocol,TCP）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC793定义。在简化的计算机网络OSI模型中，它完成第四层传输层所指定的功能，用户数据报协议（UDP）是同一层内另一个重要的传输协议。

中文名称：传输控制协议

英文名称：TransmissionControlProtocol

简称：TCP

1、TCP端口

TCP使用了端口号（Portnumber）的概念来标识发送方和接收方的应用层。对每个TCP连接的一端都有一个相关的16位的无符号端口号分配给它们。端口被分为三类：众所周知的、注册的和动态/私有的。众所周知的端口号是由因特网赋号管理局（IANA）来分配的，并且通常被用于系统一级或根进程。众所周知的应用程序作为服务器程序来运行，并被动地侦听经常使用这些端口的连接。例如：FTP、TELNET、SMTP、HTTP等。注册的端口号通常被用来作为终端用户连接服务器时短暂地使用的源端口号，但它们也可以用来标识已被第三方注册了的、被命名的服务。动态/私有的端口号在任何特定的TCP连接外不具有任何意义。可能的、被正式承认的端口号有65535个。

2、TCP首部

TCP的首部格式图右图所示：

---SourcePort是源端口，16位。

---DestinationPort是目的端口，16位。

---SequenceNumber是发送数据包中的第一个字节的序列号，32位。

---AcknowledgmentNumber是确认序列号，32位。

---DataOffset是数据偏移，4位，该字段的值是TCP首部（包括选项）长度乘以4。

---标志位：6位，URG表示UrgentPointer字段有意义：

ACK表示AcknowledgmentNumber字段有意义

PSH表示Push功能，RST表示复位TCP连接

SYN表示SYN报文（在建立TCP连接的时候使用）

FIN表示没有数据需要发送了（在关闭TCP连接的时候使用）

Window表示接收缓冲区的空闲空间，16位，用来告诉TCP连接对端自己能够接收的最大数据长度。

---Checksum是校验和，16位。

---UrgentPointers是紧急指针，16位，只有URG标志位被设置时该字段才有意义，表示紧急数据相对序列号（SequenceNumber字段的值）的偏移。

3、TCP连接

TCP连接建立

TCP是因特网中的传输层协议，使用三次握手协议建立连接。当主动方发出SYN连接请求后，等待对方回答SYN+ACK，并最终对对方的SYN执行ACK确认。这种建立连接的方法可以防止产生错误的连接，TCP使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。

TCP三次握手的过程如下：

客户端发送SYN（SEQ=x）报文给服务器端，进入SYN_SEND状态。

服务器端收到SYN报文，回应一个SYN（SEQ=y）ACK(ACK=x+1）报文，进入SYN_RECV状态。

客户端收到服务器端的SYN报文，回应一个ACK(ACK=y+1）报文，进入Established状态。

三次握手完成，TCP客户端和服务器端成功地建立连接，可以开始传输数据了。

TCP连接终止

建立一个连接需要三次握手，而终止一个连接要经过四次握手，这是由TCP的半关闭（half-close）造成的。具体过程如下图所示。

(1)某个应用进程首先调用close，称该端执行“主动关闭”（activeclose）。该端的TCP于是发送一个FIN分节，表示数据发送完毕。

(2)接收到这个FIN的对端执行“被动关闭”（passiveclose），这个FIN由TCP确认。

注意：FIN的接收也作为一个文件结束符（end-of-file）传递给接收端应用进程，放在已排队等候该应用进程接收的任何其他数据之后，因为，FIN的接收意味着接收端应用进程在相应连接上再无额外数据可接收。

(3)一段时间后，接收到这个文件结束符的应用进程将调用close关闭它的套接字。这导致它的TCP也发送一个FIN。

(4)接收这个最终FIN的原发送端TCP（即执行主动关闭的那一端）确认这个FIN。

既然每个方向都需要一个FIN和一个ACK，因此通常需要4个分节。

注意：

(1)“通常”是指，某些情况下，步骤1的FIN随数据一起发送，另外，步骤2和步骤3发送的分节都出自执行被动关闭那一端，有可能被合并成一个分节。

(2)在步骤2与步骤3之间，从执行被动关闭一端到执行主动关闭一端流动数据是可能的，这称为“半关闭”（half-close）。

(3)当一个Unix进程无论自愿地（调用exit或从main函数返回）还是非自愿地（收到一个终止本进程的信号）终止时，所有打开的描述符都被关闭，这也导致仍然打开的任何TCP连接上也发出一个FIN。

无论是客户还是服务器，任何一端都可以执行主动关闭。通常情况是，客户执行主动关闭，但是某些协议，例如，HTTP/1.0却由服务器执行主动关闭。

4、TCP配置

修改建立TCP连接的超时时间

建立TCP连接需要经过三次握手：主动端先发送SYN报文，被动放回应SYN+ACK报文，然后主动端再回应ACK。

l在主动端发送SYN后，如果被动端一直不回应SYN+ACK报文，主动端会不断的重传SYN报文直到超过一定的重传次数或超时时间。

l在主动端发送SYN后，被动端回应SYN+ACK报文，但主动端不再回复ACK，被动端也会一直重传直到超过一定的重传次数或超时时间。（SYN报文攻击会出现这种情况）

可以通过以下命令配置SYN报文的超时时间（发送SYN报文到三次握手成功的最大时间），也就是建立TCP连接的超时时间。

修改缓冲区大小

TCP的接收缓冲区是用来缓存从对端接收到的数据，这些数据后续会被应用程序读取。一般情况下，TCP报文的窗口值反映接收缓冲区的空闲空间的大小。对于带宽比较大、有大批量数据的连接，增大接收缓冲区的大小可以显著提供TCP传输性能。TCP的发送缓冲区是用来缓存应用程序的数据，发送缓冲区的每个字节都有序列号，被应答确认的序列号对应的数据会从发送缓冲区删除掉。增大发送缓冲区可以提高TCP跟应用程序的交互能力，也因此会提高性能。但是增大接收和发送缓冲区会导致TCP占用比较多的内存。

禁止端口不可达时的重置报文

TCP模块在分发TCP报文时，如果找不到该报文所属的TCP连接会主动回复一个reset报文以终止对端的TCP连接。攻击者可能利用大量的端口不可达的TCP报文对设备进行攻击。

可以使用以下命令禁止/恢复在收到端口不可达的TCP报文时发送reset报文。

限制TCP连接的MSS的最大值

MSS是最大传输段大小的缩写，指一个TCP报文的数据载荷的最大长度，不包括TCP选项。

在TCP建立连接的三次握手中，有一种很重要的工作那就是进行MSS协商。连接的双方都在SYN报文中增加MSS选项，其选项值表示本端最大能接收的段大小，即对端最大能发送的段大小。连接的双方取本端发送的MSS值和接收对端的MSS值的较小者作为本连接最大传输段大小。

发送SYN报文时的MSS选项值的计算方法如下。

l非直连网络中：mss=默认值536。

l直连网络中：mss=对端ip地址对应的出口的MTU-20字节ip头-20字节tcp头。

一般来说如果出口配置的某些应用影响了接口的mtu，那么该应用会相应的设置mtu，如隧道口，vpn口等。

到这里得到的rmss值就是要发送的syn报文mss选项的值。举例：一般情况下在直连网络中建立bgp邻居，那么该连接的发送的mss为1500–20–20–20=1440。

启用PMTU发现功能

TCP的路径最大传输单元（PMTU）发现功能是按RFC1191实现的，这个功能可以提高网络带宽的利用率。当用户使用TCP来批量传输大块数据时，该功能可以使传输性能得到明显提升。

设置接口收发SYN报文的MSS选项值

当客户端发起一个TCP连接时，它通过TCPSYN报文中的MSS选项字段协商TCP报文数据载荷的最大值，客户端SYN报文的MSS值表示后续服务器端发送TCP报文数据载荷的最大值，反之同理。

5、重传策略

TCP协议用于控制数据段是否需要重传的依据是设立重发定时器。在发送一个数据段的同时启动一个重传，如果在重传超时前收到确认(Acknowlegement)就关闭该重传，如果重传超时前没有收到确认，则重传该数据段。在选择重发时间的过程中，TCP必须具有自适应性。它需要根据互联网当时的通信情况，给出合适的重发时间。

这种重传策略的关键是对定时器初值的设定。目前采用较多的算法是Jacobson于1988年提出的一种不断调整超时时间间隔的动态算法。其工作原理是：对每条连接TCP都保持一个变量RTT（RoundTripTime），用于存放当前到目的端往返所需要时间最接近的估计值。当发送一个数据段时，同时启动连接的定时器，如果在定时器超时前确认到达，则记录所需要的时间（M），并修正RTT的值，如果定时器超时前没有收到确认，则将RTT的值增加1倍。通过测量一系列的RTT（往返时间）值，TCP协议可以估算数据包重发前需要等待的时间。在估计该连接所需的当前延迟时通常利用一些统计学的原理和算法（如Karn算法），从而得到TCP重发之前需要等待的时间值。

6、窗口确认

TCP的一项功能就是确保每个数据段都能到达目的地。位于目的主机的TCP服务对接受到的数据进行确认，并向源应用程序发送确认信息。

使用数据报头序列号以及确认号来确认已收到包含在数据段的相关的数据字节。

TCP在发回源设备的数据段中使用确认号，指示接收设备期待接收的下一字节。这个过程称为期待确认。

源主机在收到确认消息之前可以传输的数据的大小称为窗口大小。用于管理丢失数据和流量控制。这些变化如右图所示。