TCP协议2

序列号

前文提到TCP为发送的每个字节数据分配一个序列号，主要有以下几个目的：

• 帮助唯一识别每个字节数据
• 帮助把数据分割到TCP报文段中以及后续重组
• 帮助追踪发送和接受了多少数据
• 帮助将接收的错误顺序的数据正确排序
• 帮助请求丢失的数据

虽然TCP序列号是32位，但是不代表TCP只能传送$2^{32}$bytes=4GB数据。假设序列号初始化为$X$，则用到$2^{32-1}$时再从0开始用到$X-1$。然后TCP可以继续从$X$继续之前的操作（warp around）。完成一轮的时间 称为warp around time。假设网络带宽是 $t$ bytes/sec。 $\text{warp around time} = \frac{2^{32}}{t} \text{sec}$ 因为TCP报文段的寿命是3分钟，序列号循环一轮的时间远大于这个时间，所以在同一个时间所有字节数据的序列号肯定是唯一的。

还可以将warp around time降到一个TCP报文段的寿命长短。这是由于一个TCP报文段结束之后，那么这个报文段使用的序列号将可以重用。假设带宽1GBps，所以180s内传送的数据有$180\times 2^{30}$bytes，如果要将每一个数据都分配一个唯一序列号，且这些序列号为一轮。假设需要$y$ bit 序列号，则$2^{y} = 180 \times 2^{30}$，解得$y \approx 38$。但是TCP首部的序列号字段才32位，所以剩下的6位可以放在选项字段里。

三次握手

1. 假设客户端想和服务器进行TCP连接，首先客户端发起连接请求报文段（只有首部没有数据），这个报文段里包含了：
   • 客户端使用的初始的序列号
   • SYN置1
   • 最大报文段大小（Maximum Segment Size， MSS）。客户端发送和接收的最大数据块大小，包含在选项字段里（首部没有相应字段）
   • 接收窗口大小，指明可以接受的未确认数据的大小。
2. 服务器在接收到请求连接的报文段之后，发送响应报文段给客户端，将服务器的一些参数告诉客户端。响应报文段里包含：
   • 服务器使用的初始的序列号
   • SYN置1
   • 确认序列号，将接收到的序列号+1作为确认序列号，指明下次服务器想接收的字节数据的序列号
   • ACK置1
   • MSS
   • 接收窗口大小
3. 客户端发送一个纯确认报文段。（实际情况可能是直接发送数据并捎带ACK）

除了第一步，所有的TCP报文段的ACK都是置1的。第一步和第二步建立了客户端这一边的参数，第二步和第三步建立了服务器这一边的参数。连接的建立对于双方来说，都消耗了一个序列号。纯确认报文段不消耗序列号，除非是数据捎带ACK。纯确认不是必须的，连接在于双方的参数建立，第一步和第二步已经告知对方自己的参数信息了，若第三步客户端直接按照服务器给的参数发送数据，实际也是确认了服务器的参数，所以实际经常是数据捎带ACK。在双方三次握手建立连接过程中，协商的参数包括MSS、接受窗口大小和一些定时器信息等。

MSS只需要告诉对方一次即可，所以没有在首部中专门设计一个字段。对方也不一定采纳你的MSS，若是发送方发送报文段的大小大于接收方MSS，则接收方会分段，造成额外开销。一般来说，如果没有发生分段，MSS还是越大越好（也不总是这样）。

四次挥手

由于TCO连接时全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。当一方完成数据传输时发送一个FIN来终止这个方向的连接，另一端收到FIN时必须通知应用层对方已经终止了那个方向的数据传输。

1. 假设客户端要终止连接。客户端发送一个TCP报文段，将FIN置1。然后等待服务器的确认。
2. 服务器收到报文段之后，发送该报文段的确认给客户端。客户端接收到确认之后，客户端到服务器的连接被关闭，服务器释放对应的缓冲等，客户端将不能再发送数据到服务器上，但是仍然可以发送纯确认段。服务器到客户端不受影响。
3. 假设服务器要关闭连接，向客户端发送FIN置1的报文段，等待客户端确认。（可以将FIN置1的报文段和前面的ACK报文段合在一起发送）
4. 客户端收到FIN报文段后，释放它的缓存，发送ACK确认报文段给服务器（不是强制的）。此时客户端也许还没有完全结束，如果ACK报文段丢失会继续重发，这取决于实现。经过一段等待后，完全关闭。

参考

[1] TCP/IP详解卷1

[2] GateVidyalay