傳輸控制協(xié)議(TCP)

傳輸控制協(xié)議可向IP層及其上各層提供大量服務(wù)。最為重要的是它可向各上層提供面向連接的服務(wù)，使各上層啟動(dòng)應(yīng)用程序，以確保網(wǎng)絡(luò)上所發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)被完整接收。就這種作用而言，TCP的作用是提供可靠通信的有效報(bào)文協(xié)議。一旦數(shù)據(jù)報(bào)被破壞或丟失，通常是TCP(不是高層中的應(yīng)用程序)將其重新傳輸。

TCP既管理來自各上層的數(shù)據(jù)報(bào)流，也管理來自IP層的數(shù)據(jù)報(bào)流。同時(shí)它還必須兼顧優(yōu)先級(jí)和安全性。TCP必須能夠處理它上面的應(yīng)用程序的終端，該終端正等待著進(jìn)入的數(shù)據(jù)報(bào)以及各低層中的故障。TCP還必須維護(hù)TCP層內(nèi)外所有數(shù)據(jù)流的狀態(tài)表。獨(dú)立層內(nèi)的這些服務(wù)的隔離能夠啟動(dòng)要設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序，而不必考慮控制或報(bào)文的可靠性。如果沒有TCP層，每個(gè)應(yīng)用程序都必須處理這些服務(wù)本身，這是一種資源浪費(fèi)。

TCP駐留在傳輸層，位于IP之上，但在各上層及其應(yīng)用程序之下，如圖7-1所示。TCP只駐留在實(shí)際處理數(shù)據(jù)報(bào)的設(shè)備中，以確保數(shù)據(jù)報(bào)從源計(jì)算機(jī)傳輸?shù)侥繕?biāo)計(jì)算機(jī)。它不駐留在僅路由數(shù)據(jù)報(bào)的設(shè)備上，所以網(wǎng)關(guān)中沒有TCP層。這是很有意義的，因?yàn)樵诰W(wǎng)關(guān)上，數(shù)據(jù)報(bào)在分層模式中不必比IP層傳輸?shù)阶罡邔印?/p>

因?yàn)門CP是面向連接的協(xié)議，它負(fù)責(zé)保證數(shù)據(jù)從源計(jì)算機(jī)到目標(biāo)計(jì)算機(jī)的傳輸(即終端對終端通信)，因此，TCP必須從信宿計(jì)算機(jī)接收通信信息，以確認(rèn)數(shù)據(jù)報(bào)的接收。虛擬電路這一術(shù)語通常用于指示在這兩個(gè)終端計(jì)算機(jī)之間傳輸?shù)男盘?hào)握手，它們大多數(shù)是簡單的確認(rèn)報(bào)文(接收確認(rèn)或故障代碼)和數(shù)據(jù)報(bào)序號(hào)。

圖：TCP提供終端對終端的通信

為了描述TCP的作用，有必要跟蹤兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的一個(gè)樣本報(bào)文。報(bào)文由應(yīng)用程序生成，它從體系結(jié)構(gòu)的下一個(gè)高層通過某些協(xié)議(通常指上層協(xié)議或ULP，以指明它駐留在TCP之上)傳輸?shù)絋CP。報(bào)文按流傳輸，流是非同步發(fā)送的單個(gè)字符序列。這與大多數(shù)協(xié)議是有區(qū)別的，大多數(shù)協(xié)議通常都使用固定的數(shù)據(jù)塊。程序只處理常規(guī)構(gòu)造的數(shù)據(jù)塊或固定尺寸的報(bào)文，所以這里涉及到某些轉(zhuǎn)換問題。

TCP接收字節(jié)流并將它們集中到TCP數(shù)據(jù)段或包。在組合數(shù)據(jù)段的過程中，要加上頭標(biāo)信息。每個(gè)數(shù)據(jù)段都有已計(jì)算的校驗(yàn)和，并嵌入在頭標(biāo)中，如果整個(gè)報(bào)文中包括不止一個(gè)數(shù)據(jù)段，則它還有序號(hào)。該數(shù)據(jù)段的長度通常由TCP或系統(tǒng)管理員設(shè)置的系統(tǒng)值來決定。

如果要求雙向通信(如與Telnet或FTP通信)，并且為了路由在將數(shù)據(jù)段傳輸?shù)絀P之前，則需在發(fā)送和接收計(jì)算機(jī)之間建立連接(虛擬電路)。首先發(fā)送TCP的軟件向接收計(jì)算機(jī)提出建立TCP連接的請求，請求報(bào)文中有個(gè)唯一數(shù)(稱為插口號(hào))，用以標(biāo)識(shí)發(fā)送計(jì)算機(jī)的連接。接收TCP的軟件指定它自己的唯一插口號(hào)，并將它發(fā)回到源計(jì)算機(jī)。在虛擬電路終止之前，這兩個(gè)唯一數(shù)定義兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的連接。

虛擬電路建立之后，TCP將數(shù)據(jù)段發(fā)送到IP軟件，IP軟件將其作為數(shù)據(jù)報(bào)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送該報(bào)文。經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)上的復(fù)雜過程之后，接收計(jì)算機(jī)的IP將接收到的數(shù)據(jù)段傳輸?shù)浇邮沼?jì)算機(jī)的TCP層，在此處理該數(shù)據(jù)段，并使用上層協(xié)議將其傳輸?shù)剿厦娴膽?yīng)用程序。

如果報(bào)文包括多個(gè)數(shù)據(jù)段，接收TCP軟件根據(jù)每個(gè)數(shù)據(jù)段頭標(biāo)中包含的序號(hào)將報(bào)文分解。如果數(shù)據(jù)丟失或損壞(可通過校驗(yàn)和確定)，TCP將文件中帶有錯(cuò)誤序號(hào)的報(bào)文返回，然后，源發(fā)送TCP軟件重新發(fā)送這個(gè)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)段。

如果整個(gè)報(bào)文只有一個(gè)數(shù)據(jù)段，在與該段的校驗(yàn)和重新計(jì)算的值比較之后，接收TCP軟件產(chǎn)生肯定確認(rèn)(ACK)或請求重新發(fā)送該數(shù)據(jù)段，并將其發(fā)回到發(fā)送層。

接收計(jì)算機(jī)TCP的實(shí)施可以執(zhí)行簡單的流控制，以防止緩沖器過載。它通過向發(fā)送計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)窗口值來實(shí)現(xiàn)這種控制，然后，發(fā)送計(jì)算機(jī)發(fā)送合適的字節(jié)填充該窗口。這樣可在兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間提供一個(gè)信息交換的協(xié)議，盡管這樣確實(shí)會(huì)降低傳輸速度并使網(wǎng)絡(luò)信息量稍有增加。

與大多數(shù)基于連接的協(xié)議一樣，定時(shí)器是TCP的一個(gè)很重要的方面。定時(shí)器的使用可確保在等待ACK或重復(fù)ACK報(bào)文，避免不必要的時(shí)間耽擱。如果定時(shí)器到時(shí)，定時(shí)處理程序通常會(huì)造成從源計(jì)算機(jī)重發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)。

使用TCP時(shí)，定時(shí)器也會(huì)導(dǎo)致一些麻煩。TCP規(guī)范只提供確認(rèn)正確接收的最大數(shù)據(jù)報(bào)號(hào)，但這樣不能正確處理零散的接收。如果報(bào)文由多個(gè)順序混亂的數(shù)據(jù)報(bào)組成，該規(guī)范說明在接收到所有數(shù)據(jù)報(bào)之前，TCP無法確認(rèn)報(bào)文是否被接收。所以，即使該序列中部的一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)幾乎接收成功，定時(shí)處理程序也可能執(zhí)行，并使所有數(shù)據(jù)報(bào)必須重新發(fā)送。對于大型報(bào)文，這樣可能造成網(wǎng)絡(luò)通信量激增。

如果接收TCP軟件接收到重復(fù)的數(shù)據(jù)報(bào)(定時(shí)期滿后重新傳輸)，TCP的接收方案將放棄任何重復(fù)數(shù)據(jù)報(bào)，不發(fā)送重復(fù)ACK報(bào)文，發(fā)送系統(tǒng)只關(guān)心報(bào)文是否被接收，并不關(guān)心對方收到多少份。

TCP沒有否定確認(rèn)(NAK)功能，它根據(jù)定時(shí)程序來指明沒有確認(rèn)。如果定時(shí)程序在發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)后未接收確認(rèn)便執(zhí)行，則認(rèn)為該數(shù)據(jù)報(bào)已經(jīng)丟失，并重新傳輸。發(fā)送TCP軟件在正確確認(rèn)之前，在緩沖器中保存多份所有未確認(rèn)的數(shù)據(jù)報(bào)。當(dāng)確認(rèn)證實(shí)后，重發(fā)定時(shí)程序中止運(yùn)行，從緩沖器中刪除該數(shù)據(jù)報(bào)。

TCP支持來自上層協(xié)議的進(jìn)棧功能。應(yīng)用程序希望立即發(fā)送數(shù)據(jù)，并且證實(shí)傳輸?shù)絋CP的報(bào)文已被傳輸成功，這時(shí)可以使用進(jìn)棧功能，為此，在ULP連接中設(shè)置一個(gè)進(jìn)棧標(biāo)志，通知TCP盡快將應(yīng)用程序中的緩存信息發(fā)送到信宿(相反，在準(zhǔn)備發(fā)送之前一直保存在緩沖器中)。