基于TCP流協議的數據包通訊

　　一、TCP定義

　　TCP（Transmission Control Protocol 傳輸控制協議）是一種面向連接的、可靠的、基于字節流的傳輸層通信協議，由IETF的RFC 793定義。在簡化的計算機網絡OSI模型中，它完成第四層傳輸層所指定的功能，用戶數據報協議（UDP）是同一層另一個重要的傳輸協議。在因特網協議族（Internet protocol suite）中，TCP層是位于IP層之上，應用層之下的中間層。不同主機的應用層之間經常需要可靠的、像管道一樣的連接，但是IP層不提供這樣的流機制，而是提供不可靠的包交換。

　　二、TCP可靠性實現

　　TCP提供一種面向連接的、可靠的字節流服務。面向連接意味著兩個使用TCP的應用（通常是一個客戶和一個服務器）在彼此交換數據包之前必須先建立一個TCP連接。這一過程與打電話很相似，先撥號振鈴，等待對方摘機說“喂”，然后才說明是誰。在一個TCP連接中，僅有兩方進行彼此通信。廣播和多播不能用于TCP。

　　1.應用數據被分割成TCP認為最適合發送的數據塊。這和UDP完全不同，應用程序產生的數據報長度將保持不變。由TCP傳遞給I P的信息單位稱為報文段或段

　　2.當TCP發出一個段后，它啟動一個定時器，等待目的端確認收到這個報文段。如果不能及時收到一個確認，將重發這個報文段。

　　3.當TCP收到發自TCP連接另一端的數據，它將發送一個確認。這個確認不是立即發送，通常將推遲幾分之一秒。

　　4.TCP將保持它首部和數據的檢驗和。這是一個端到端的檢驗和，目的是檢測數據在傳輸過程中的任何變化。如果收到段的檢驗和有差錯，TCP將丟棄這個報文段和不確認收到此報文段（希望發端超時并重發）。

　　5.既然TCP報文段作為IP數據報來傳輸，而IP數據報的到達可能會失序，因此TCP報文段的到達也可能會失序。如果必要，TCP將對收到的數據進行重新排序，將收到的數據以正確的順序交給應用層。

　　6.既然I P數據報會發生重復，TCP的接收端必須丟棄重復的數據。

　　7.TCP還能提供流量控制。TCP連接的每一方都有固定大小的緩沖空間。TCP的接收端只允許另一端發送接收端緩沖區所能接納的數據。這將防止較快主機致使較慢主機的緩沖區溢出。

　　三、TCP連接的建立

　　利用TCP傳輸數據前，需要建立tcp連接，tcp連接的建立有3個主要過程，叫做3次握手，具體過程如下圖所示：

　　過程：

　　1. 首先客戶端發送一個SYN包給服務器（SYN=1，Seq為主機選擇的這個連接的初始序號），然后等待應答。

　　2. 服務器端收到SYN包，回應給客戶端一個ACK =x+1、SYN=1的TCP數據段（ACK表示確認序號有效，即收到上一個包，這里加1并不是ACK的值加1，ACK是一個標志位，這里會變成1，而x+1則是希望收到的下一個包的序列號，這個值放在包的確認序列號字段中，而只有ACK=1時，確認序列號才有效）。

　　3. 客戶必須再次回應服務器端一個ACK確認數據段（這里的Seq為x+1）。

　　經過上面3個過程就建立了一個tcp連接，接著就可以發送數據了，因為建立連接使用了一個序列號x，所以發送數據的第一個字節序號為x+1。

　　注意：這里tcp為應用層提供全雙工服務，意味數據能在兩個方向上獨立地進行傳輸，因此連接的每一段都有各自的傳輸數據序號（對應于上圖中的x和y，這兩個值是沒有必然聯系的）。

　　四、TCP協議流的理解

　　TCP是流協議，不像UDP那樣sendto發一次消息，另一端必然會收到完整消息，或者沒有收到任何消息。當用TCP send發一次消息的時候，可能另一端在某時刻可能只收到一部分消息，下一時刻才能收到另一部分。那如果一個消息很小，是否可以保證另一端在某時刻能收到這條完整消息？

　　調用send后，TCP將數據拷貝到緩沖區。緩沖區內可能不止一條用戶消息。TCP按照一定算法，將緩沖區的數據打包到1-n個TCP報文中，交給IP層發送。TCP報文是TCP協議的最小發送單位，大小應該是可變的，并且丟失的話會重發。并不能保證一個TCP報文中必然包含一條用戶消息的全部，所以即使消息很小，另一端也有可能在某時刻只收到部分

　　IP層將TCP報文裝進IP包，然后再交給鏈路層發送以太幀

　　理論上IP包的大小應該會選擇比MTU小。一旦IP包比MTU大，意味著網絡上的路由要幫你緩存多個以太幀，拼出IP包后才知道如何路由到下一個節點。向下一節點路由的時候還要再拆分成多個以太幀發送。所以TCP報文應該會比選擇比MTU小。

　　五、基于TCP流協議的數據包通訊

　　TCP通訊是流協議，它不像UDP那樣基于包為邊界的通訊方式，TCP流式協議，舉個簡單例子，一端用send 分別發送 100，123，120字節的數據，另一端用recv可以一下子接收到 100+123+120=343字節的數據，或者先接收 3個字節的數據，再接收余下的340字節，不管另一端怎么接收，最終是要接收到343字節的數據。而且TCP保證數據的完整性和順序，也就是兩端是數據同步的，出現任何一點的數據不一致，都會造成TCP連接的失效。

　　UDP則跟TCP大不一樣，他是基于包邊界的。所謂的包邊界，就是一端分別發送 100， 123， 120字節的數據，另一端接收到也應該分別是 100，123，120字節數據的三個包，不會出現一端發送100字節的一個數據包，另一端只接收到小于100字節的數據包，或者收到大于100字節的數據包。UDP同時也不保證穩定和順序，如發送端發送100，123，120三個包，接收端可能接收到3個包，也可能只接收到2個包，也可能一個包也收不到，收到的順序不一定是100，123，120，可能是100，120，123，或者123，100，120等。這些TCP和UDP的屬性，大家稍微查查資料就該很清楚。

　　UDP的這種特殊通訊方式其實跟網絡底層鏈路層的通訊方式很接近。鏈路層的數據是一個數據包一個數據包的傳輸，并不保證數據能否達到對方，或者按照順序到達對方。UDP只是簡單把鏈路層和IP層的數據加了一層封裝，加了端口用于識別同一個機器的不同進程，UDP數據包的收發方式，只是組合成UDP包之后，簡單的發送到底層網絡了事，至于底層網卡有沒有發成功或者接收成功，它是一概不聞不問的。他的底層處理方式比起 TCP協議來說簡單太多了。

　　既然UDP這么好，編程又簡單，可現在網絡中大部分都在使用TCP，一個非常重要的原因就是TCP提供的是可靠傳輸，TCP有一套復雜的底層算法來保證數據的完整和可靠，有這個理由就已經足夠讓TCP在大部分場所比UDP好使了。因為大部分時候，我們在開發網絡通信程序，都希望能隨意的接收和發送任意大小和完整的數據，如果使用UDP，還得自己寫算法來保證數據的順序和完整，整個處理過程就等于實現一個小型的TCP協議。

　　一些特殊場所，比如P2P，各種使用P2P的下載軟件如迅雷等，這些軟件和傳統的服務端客戶端模式不大一樣，每個運行軟件的機器既是客戶端也是服務端，而用戶的每個機器可能處于不同的網絡環境中，最典型的就是大部分機器處于NAT中，這樣的環境下，采用UDP是最佳選擇，因為TCP的NAT穿透能力差。

　　當然這些軟件使用UDP，他們也必須實現一套算法來保證UDP傳輸的完整和順序。我們在開發TCP程序時候，最先想到的就是 請求-應答模式：就是客戶端發起一個請求，然后服務端接收到請求，進行處理，接著向客戶端應答這個請求。最典型和常用的就是 HTTP協議，我們瀏覽的所有網頁，以及各種玲瑯滿目的網站，這些都是HTTP的功勞，HTTP協議是建立在TCP上的應用層協議，采用就是 請求-應答方式。

　　瀏覽器首先發起一個網頁請求的TCP連接，web服務器通過這個TCP連接應答這個網頁，并把網頁內容傳輸給瀏覽器。然后瀏覽器可能關閉這個TCP連接，或者也可能利用這個TCP連接發起另外一個網頁請求。這個請求-應答模式，也是我在使用TCP開發私有協議時候，使用的最多的模式，多得來以至于都忘記其他模式需求的存在了。