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4-6 TCP 協定與分析
4-6-1 TCP 協定功能 『傳輸控制協定』（Transmission Control Protocol, TCP）和 IP 兩者似乎是連結在一起的同一名稱（TCP/IP），兩者的功能確實是相輔相成。IP 的功能是無論兩部工作站在無遠弗屆的任一個角落，都能將它們連結在一起。TCP 提供網路的服務接點讓應用程式使用，也就是說，提供端點對端點（End-to-End）的連線。主機電腦上有多個應用程式都必須透過網路提供或使用網路服務，TCP 就提供多點服務的連線（虛擬鏈路的多工功能）讓各種應用程式可同時連結到網路上。TCP 和 IP 的關係宛如電話系統中的電話號碼和分機號碼。當我們撥接電話時，將依照電話號碼的位址在廣泛的電話大海之中找到對方，並和其連接完成（IP 功能，各地區的交換機就如網路閘門）。這並不能表示我們已連絡上受話的對方，但最起碼我們也連線到對方的電話機上（IP 已連結到主機上）。欲找到受話的人也許可用人工呼叫，但也可以再撥分機號碼（TCP 的埠口號碼），這表示在主機號碼上再加入分機號碼來表示通訊的個人（TCP 的點對點連線）。人與人之間的對話就像網路上應用程式之間的通訊。 TCP 和 IP 另一個相輔相成的功能是 IP 提供非連接的不可靠傳輸，對於有關可靠傳輸的處理程序就必須仰賴 TCP 來完成。換言之，IP 傳送當中，也許會發生封包損壞、封包遺失、封包重複或次序錯亂等現象，這些情況都必須由 TCP 來負責檢測出，並要求對方重送、重整封包順序等工作。因此，TCP 必須提供連接導向的連線，才能使整個網路通訊達到可靠性的傳輸。重點說明如下： ● 端點對端點連線 (End-to-End Connection) ● 提供服務連接埠口(Port)： (1) 0 ~ 1023：著名埠口，如 80/tcp 連接 http Server。 (2) 1024 ~ 65535：使用者或動態埠口。 ● 連接導向方式 (1) 虛擬連線建立。 (2) 檢視錯誤與遺失封包。
圖 4-19 TCP 通訊連線 4-6-2 TCP 封包格式 傳輸層的 TCP/UDP 封包經過 IP 封包包裝，又再經過 Ethernet 訊框包裝後，才發送到網路上，其包裝結構如圖 4-20 所示。
圖 4-20 Ethernet 訊框包裝 在 Ethernet 框標頭中，型態（Type）為 0x0800 表示該訊框是承載 IP 封包，又在 IP 封包標頭中，如 Protocol 欄位為 6 表示本封包是承載 TCP 訊息；如 Protocol = 17 則表示承載 UDP 訊息。一般傳送 TCP/IP 訊息，IP 標頭大多不會攜帶特殊訊息（如來源路徑選擇），也沒有選項欄位（Option），因此 IP 標頭佔用 20 位元組長度。TCP 標頭如沒有特殊訊息，也是佔用 20 位元組長度。而一般 UDP 標頭也都是佔用 20 位元組。如下： ● Eth.type = 0x0800 ● Ip.pro = x06 圖 4-21 為 TCP 的封包格式，各欄位功能如下： ● 來源埠口（Source Port）：來源之 TCP 埠口。 ● 目的地埠口（Destination Port）：目的地之 TCP 埠口。 ● 順序編號（Sequence Number）：該封包的順序編號。 ● 確認號碼（Acknowledge Number）：回應封包的確認號碼，也是期望傳送端下次發送封包的序號，其表示該確認號碼以前的封包都以正常接收。 ● 資料偏移量（Data Offset）：因為 TCP 的 Option 欄位長度並非固定，Data Offset 用來表示傳輸資料（Data）是在整個封包之區段起始位址。 ● 位元碼（Code bits）：（6 位元）（URG, ACK, PSH, TST, SYN, FIN）此欄位作控制訊息傳遞之用。而且目前有關 TCP/IP 網路上的特殊處理工作（如防火牆等等）都是利用這些控制碼來運作。其中： (1) URG（Urgent）：表示該封包為緊急資料，並使 Urgent Point 欄位有效。 (2) ACK（Acknowledge）：本封包有回應確認功能，其確認 Acknowledge Number 欄位中所指定的順序號碼。 (3) PSH（Push）：請求對方立即傳送 Send Buffer 中的封包。 (4) RST（Reset）：要求對方立即結束連線（強迫性），且發送者已斷線。 (5) SYN（Synchronous）：通知對方要求建立連線（TCP 連線）。 (6) FIN（Finish）：通知對方，資料已傳輸完畢，是否同意斷線。發送者還在連線中等待對方回應。 ● 視窗（Window）：此欄位是用來控制封包流量，告訴對方目前本身還有多少緩衝器（Receive Buffer）可以接收封包（滑動視窗法之特性）。如果 Window = 0 表示緩衝器已滿暫停傳送資料。Window 大小的單位是以位元組表示（Byte）。 ● 檢查集（Checksum）：此欄位為 16 bits 長的檢查碼，接收方可依此 Checksum 來確定所收封包（資料極表頭）是否正確。 ● 緊急指標（Urgent Point）：當 URG = 1 時，其代表緊急資料是在資料區的什麼位址。 ● 任選欄（Option）：目前此欄位只應用於表示接收端能夠接收最大資料區段的大小。如果不使用此欄位，則可以使用任意的資料區段大小。 ● 填補欄位（Padding）：將 Option 欄位補足 32 位元的整數倍。
圖 4-21 TCP 封包格式 4-6-3 TCP 建立連線 Tomlinson（1975）提出三向式握手法（Three-way handshake）。其運作的主要原理，就是不管要求訊號或回應訊號都編有序號，尤其回應時必須指明這是回應第幾號要求連線訊息。對於序號的編列不必依照一定的順序，只要能標示出獨立訊息便可以。如圖 4-22 所示，工作站 A（TP_A）送出要求連接訊號（Connect Request，CR）並附帶序列號碼 x（seq=x）；工作站 B（TP_B） 針對 TP_A 的要求而送出同意連線訊號 （Ack(ack=x)），並標示出本回應訊號的序號（seq=y）；TP_A 接到 TP_B 的同意連線訊號 Ack（seq=y, ack=x），便知道是針對哪一個連線要求的回應，並在傳送一個確認訊號表示連線成功 Ack（seq=x, ack=y）；TP_B 收到確認訊號也知道針對哪一個連線已連接成功。
圖 4-22 三向握手式連絡法之訊號方式 因此，TCP 採用三向握手式連絡法（Three-way handshake）來實現連線處理，其中會用到封包內二個序號：Sequence Number（seq）及 Acknowledge Number（ack），以及 Code（或稱 Flags）欄位中四個旗標：ACK、SYN、FIN 和 RST。有三個訊號來建立連線，如下： (1) 發起者要求連線： 發起者發送 TCP 封包，標頭內 SYN = 1，表示要求連線； (2) 回應者同意連線：回應者如同意連線，則回送 TCP 封包，標頭內 SYN = 1 & ACK = 1，表示同意連線要求； (3) 發起者確認連線：發起者收到同意連線訊息後，最後確認連線成功則回應 ACK =1。 另外，針對上述對話連線，有可能連線經過網路延誤而重新發送訊息，為了確認是針對哪一個對話連線回應，則以 seq = 連線號碼，來表示哪一對話，回應時 ack = seq +1，表示針對哪一個連線號碼回應，並要求傳遞下一個封包序號（滑動視窗法確認方式，詳情請參閱 TCP/IP 與 Internet 網路）。
圖 4-23 TCP 建立連線運作程序 |
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