TCP 是在不可靠的 IP层之上实现的可靠的数据传输协议，它主要解决传输的可靠、有序、无丢失和不重复问题。TCP是TCP/P体系中非常复杂的一个协议。

一、TCP协议的特点

1. TCP是**面向连接（虚连接）**的传输层协议。
2. 每一条TCP连接只能有两个端点，每一条TCP连接只能是点对点的。
3. TCP提供可靠交付的服务，无差错、不丢失、不重复、按序到达。
4. TCP提供全双工通信。

发送缓存：准备发送的数据&已发送但尚未收到确认的数据

接收缓存：按序到达但尚未被接受应用程序读取的数据&不按序到达的数据

5. TCP 面向字节流，TCP把应用程序交下来的数据看成仅仅是一连串的无结构的字节流。

流：流入到进程或从进程流出的字节序列。

TCP 和 UDP 在发送报文时所采用的方式完全不同。UDP报文的长度由发送应用进程决定，而TCP报文的长度则根据接收方给出的窗口值和当前网络拥塞程度来决定。

二、TCP 报文段

TCP 传送的数据单元称为报文段。**TCP报文段既可以用来运载数据，又可以用来建立连接、释放连接和应答。**一个 TCP报文段分为首部和数据两部分，整个TCP报文段作为 IP数据报的数据部分封装在 IP数据报中。其首部的前20B是固定的。TCP报文段的首部最短为20B，后面有4N字节是根据需要而增加的选项，通常长度为4B的整数倍。

TCP的全部功能体现在其首部的各个字段中，各字段意义如下:

1. 源端口和目的端口。各占 2B。端口是运输层与应用层的服务接口，运输层的复用和分用功能都要通过端口实现。
2. 序号。占4B，范围为$02^{32}-1$，共 $2^{23}$ 个序号。TCP是面向字节流的(即TCP传送时是逐个字节传送的)，所以TCP连接传送的字节流中的每个字节都按顺序编号。序号字段的值指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。

例如，一报文段的序号字段值是301，而携带的数据共有100B，表明本报文段的数据的最后一个字节的序号是400，因此下一个报文段的数据序号应从401开始。

3. 确认号（ack）。占4B，是期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。若确认号为N,则表明到序号N-1为止的所有数据都已正确收到。

例如, B正确收到了A发送过来的一个报文段，其序号字段是501，而数据长度是200B(序号501～700)，这表明B正确收到了A发送的到序号700为止的数据。因此B期望收到A的下一个数据序号是701，于是B在发送给A的确认报文段中把确认号置为 701。

4. 数据偏移（即首部长度)。占4位，这里不是 IP数据报分片的那个数据偏移，而是表示首部长度（首部中还有长度不确定的选项字段)，它指出 TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远。“数据偏移”的单位是32位(以4B为计算单位)。因此当此字段的值为15时,达到 TCP首部的最大长度60B。

5. 保留。占6位，保留为今后使用，但目前应置为0。

6. 紧急位URG。URG= 1时，表明紧急指针字段有效。它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传送（相当于高优先级的数据)。但URG需要和紧急指针配合使用，即数据从第一个字节到紧急指针所指字节就是紧急数据。

7. 确认位ACK。仅当ACK=1时确认号字段才有效。当ACK=0时，确认号无效。TCP规定，在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK置1。

8. 推送位PSH(Push)。接收方TCP收到 PSH=1 的报文段,就尽快地交付给接收应用进程，而不再等到整个缓存都填满后再向上交付。

9. 复位位RST (Reset)。RST=1时，表明TCP连接中出现严重差错（如主机崩溃或其他原因)，必须释放连接，然后再重新建立运输连接。

10. 同步位SYN。同步 SYN=1 表示这是一个连接请求或连接接受报文。
    当SYN=1，ACK=0时，表明这是一个连接请求报文，对方若同意建立连接，则应在响应报文中使用SYN=1，ACK = 1。

11. 终止位FIN (Finish)。用来释放一个连接。当FIN = 1时，表明此报文段的发送方的数据已发送完毕，并要求释放传输连接。

12. 窗口。占2B，范围为$02^{16}-1$。它指出现在允许对方发送的数据量，接收方的数据缓存空间是有限的，因此用窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。

例如，设确认号是701，窗口字段是1000。这表明，从701号算起。发送此报文段的一方还有接收1000字节数据（字节序号为701～1700）的接收缓存空间。

13. 校验和。占2B。校验和字段检验的范围包括首部和数据两部分。在计算校验和时，和 UDP一样，要在TCP报文段的前面加上12B的伪首部(只需将UDP伪首部的第4个字段，即协议字段的17改成6，其他的和UDP一样)。

14. 紧急指针。占2B。紧急指针仅在URG=1时才有意义，它指出在本报文段中紧急数据﹒共有多少字节（紧急数据在报文段数据的最前面)。

15. 选项。长度可变。TCP最初只规定了一种选项,即最大报文段长度(Maximum Segment Size,MSS)。MSS是TCP报文段中的数据字段的最大长度（注意仅仅是数据字段)。

16. 填充。这是为了使整个首部长度是4B的整数倍。

三、TCP 连接管理

TCP连接传输三个阶段：

TCP连接的建立采用客户服务器方式，主动发起连接建立的应用进程叫做客户，而被动等待连接建立的应用进程叫服务器。

（一）、TCP 的连接建立

日常生活实例理解：

TCP 建立连接的三次握手：

ROUND 1:
客户端发送连接请求报文段，无应用层数据。
SYN=1，seq=x(随机)

ROUND 2:
服务器端为该TCP连接分配缓存和变量，并向客户端返回确认报文段，允许连接，无应用层数据。
SYN=1，ACK=1，seq=y(随机)，ack=x+1

ROUND 3:
客户端为该TCP连接分配缓存和变量，并向服务器端返回确认的确认，可以携带数据。
SYN=0，ACK=1，seq=x+1，ack=y+1

确认位ACK：ACK=1时确认号有效，在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK置为1。

同步位SYN：SYN=1时，表明是一个连接请求/连接接受报文。

序号 ack：在一个TCP连接中传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号，本字段表示本报文段所发送数据的第一个字节的序号。

SYN洪泛攻击

SYN洪泛攻击发生在OSI第四层，这种方式利用TCP协议的特性，就是三次握手。攻击者发送TCP SYN，SYN是TCP三次握手中的第一个数据包，而当服务器返回ACK后，该攻击者就不对其进行再确认，那这个TCP连接就处于挂起状态，也就是所谓的半连接状态，服务器收不到再确认的话，还会重复发送ACK给攻击者。这样更加会浪费服务器的资源。攻击者就对服务器发送非常大量的这种TCP连接，由于每一个都没法完成三次握手，所以在服务器上，这些TCP连接会因为挂起状态而消耗CPU和内存，最后服务器可能死机，就无法为正常用户提供服务了。

可以理解为 三次握手进行时，第三步客户机一直不回应，使进程不断挂起。

服务器端的资源是在完成第二次握手时分配的，而客户端的资源是在完成第三次握手时分配的，这使得服务器易受到 SYN 洪泛攻击。

（二）、TCP 连接的释放

参与 TCP 连接的两个进程中任何一个都能终止该连接。TCP 连接释放的过程通常称为四次握手。

日常生活实例理解：

ROUND 1:

客户端发送连接释放报文段，停止发送数据，主动关闭TCP连接。FIN=1，seq=u 。seq等于前面已发送过的数据的最后一个字节的序号加1，FIN 报文段不携带数据，但同样消耗一个序号。

ROUND 2:
服务器端回送一个确认报文段，客户到服务器这个方向的连接就释放了，TCP连接处于半关闭状态。但服务器若发送数据，客户机仍要接收，即从服务器到客户机这个方向的连接并未关闭。

ACK=1，seq=v，ack=u+1

ROUND 3:
服务器端发完数据，就发出连接释放报文段，主动关闭TCP连接。

FIN=1，ACK=1，seq=w，ack=u+1

ROUND 4:
客户端回送一个确认报文段，再等到时间等待计时器设置的2MSL（最长报文段寿命）后，连接彻底关闭。

ACK=1，seq=u+1，ack=w+1

TCP 连接建立和释放的总结

1）连接建立。分为3步:
SYN = 1，seq =x。
SYN = 1，ACK=1，seq=y，ack =x+ 1。
ACK = 1，seq = x + 1，ack =y+ 1。
2)释放连接。分为4步:
FIN = 1，seq = u
ACK = 1,seq= v，ack = u + 1
FIN = 1，ACK= 1，seq= w,ack =u + 1
ACK= 1,seq =u+ 1，ack =w+1。