TCP/IP网络必备知识 --- TCP协议详解

Posted 2021-04-15 女程序员的记事本

    这几天要辅导娃期末复习，时间不多，花了两天才学习完TCP协议的工作过程并整理笔记，敲字时手冻得发冷，但还是要坚持学习，心里才会觉得暖暖的。

一 TCP协议：

TCP(Transmission Control Protocol) 传输控制协议，对数据的传输进行一定的控制。

主要涉及TCP的三次握手和四次挥手,后面的内容详细讲解它们的交互过程。

 

二TCP协议的工作过程：

先举一个例子来理解TCP三次握手的过程。

例：男生向女生提出恋爱交往请求过程

男生发出请求交往消息，女生收到消息后，礼貌回应(确认ACK=1)并表示同意交往试试(SYN=1)，男生收到后也向女生发送消息通知确认已经得到她的回复(ACK=1)，并确认自己也想试试(SYN=1)，确认完毕，正式开始交往。男女生一共发送了三次消息，也就是类似TCP的三次握手过程。

 

◆TCP协议头部组成结构，如下图所示：

上图中红色圈出部分是我们要重点掌握的内容。

>>序号(sequencenumber):也就是编号，TCP数据包过大，分段，比如分成10段，编号为1，2…9，10。按照顺序重组 seq == 1

>>确认号(acknowledgenumber): 存在于服务器回应消息的确认消息里，依据序号，ack(确认号)==1+seq，表示服务器期望收到它的下一个序号。

>>状态控制码(codecontrol flag): 标志位 --- 信号灯， 1---亮，0---灭，表示数据包的类型，有六种类型，我们重点理解下面四种类型：

ACK(acknowledge)：确认位，=1，表示这个消息时一个确认消息

RST(RESET)：重置。=1，表示这个消息释放链接。TCP连接出现错误，比如主机服务器崩溃，断开连接。请求重新建立连接。

SYN(synchronous):同步，=1，表示这个消息是：1.一个发起连接的消息 + 确认接受连接消息。

FIN(Final):终止，=1，表示发送报文结束了，释放这个连接。接下来应该进行四次挥手了。

 

    注意：TCP三次握手连接发起前，客户端和服务器都处理Close状态。

◆TCP三次握手过程：

    第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包（seq=j）到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认；SYN：同步序列编号（SynchronizeSequence Numbers）。

 第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（seq=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态。

 第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED（TCP连接成功）状态，完成三次握手。

完成三次握手，客户端与服务器开始传送数据。

◆上述过程中的重要概念：

（1）未连接队列

 在三次握手协议中，服务器维护一个未连接队列，该队列为每个客户端的SYN包（seq=j）开设一个条目，该条目表明服务器已收到SYN包，并向客户发出确认，正在等待客户的确认包。这些条目所标识的连接在服务器处于 Syn_RECV状态，当服务器收到客户的确认包时，删除该条目，服务器进入ESTABLISHED状态。

（2）Backlog参数

 三次握手协议表示内核为相应套接字排队的最大连接个数。SYN-ACK重传次数服务器发送完SYN－ACK包，如果未收到客户确认包，服务器进行首次重传，等待一段时间仍未收到客户确认包，进行第二次重传，如果重传次数超过系统规定的最大重传次数，系统将该连接信息从半连接队列中删除。注意，每次重传等待的时间不一定相同。

（3）半连接存活时间

 是指半连接队列的条目存活的最长时间，也即服务器从收到SYN包到确认这个报文无效的最长时间，该时间值是所有重传请求包的最长等待时间总和。有时我们也称半连接存活时间为Timeout时间、SYN_RECV存活时间。

◆改进的三次握手

    对于一个已经建立的连接，TCP使用改进的三次握手来释放连接（使用一个带有FIN附加标记的报文段）。TCP关闭连接的步骤如下：

第一步，当主机A的应用程序通知TCP数据已经发送完毕时，TCP向主机B发送一个带有FIN附加标记的报文段（FIN表示英文finish）。

第二步，主机B收到这个FIN报文段之后，并不立即用FIN报文段回复主机A，而是先向主机A发送一个确认序号ACK，同时通知自己相应的应用程序：对方要求关闭连接（先发送ACK的目的是为了防止在这段时间内，对方重传FIN报文段）。

第三步，主机B的应用程序告诉TCP：我要彻底的关闭连接，TCP向主机A送一个FIN报文段。

第四步，主机A收到这个FIN报文段后，向主机B发送一个ACK表示连接彻底释放。

    当我们在电脑上访问百度服务器的过程就是TCP的典型应用，虽然我们是通过http/https协议来实现，但这两个协议是基于TCP协议的：Client --- 百度server，主要是通过TCP协议建立交互和链接的前提下，通过http/https协议进行交互。

TCP协议连接请求包含TCP三次握手连接过程和TCP四次挥手断开连接过程。

细节如下：

 

 

继续举一个例子来理解TCP四次挥手的过程。

例：男生向女生提出分手的请求过程，男生女生都非常的绅士和淑女，比较容易理解。

 

TCP四次挥手断开连接发起前，客户端和服务器都处理连接状态。客户端发出断开连接请求后，等待服务器确认并发送关闭连接的请求，然后客户端再确认，至此四次挥手就完成了。

下图为我们关闭百度页面的过程示意图：

 

 

下面是wireshark抓包TCP三次握手的数据包情况，可以对照上面的原理来加深印象。

打开浏览器访问一个页面，抓包。

输入tcp协议进行过滤，点击第一个包分析TCP流信息，邮件点击该条报文信息，选择追踪流之TCP流。

以上重点关注传输层的内容，可对照前面所讲来分析。

接下来的图是第二次握手信息。

同样查看TCP流信息

最后是第三次握手信息

TCP四次挥手包以此方法同理可以自行分析。

 

注意TCP协议中的发送的每个数据包都是需要确认的。

如果理解起来依然觉得困难，可以点击下面的链接观看视频详细讲解：

https://edu.csdn.net/course/play/30776/453095