浅谈 TCP 协议

Posted 2021-04-15 互联网后端架构

一、TCP/IP

TCP 工作在网络 OSI 的七层模型中的第四层 —— Transport层，IP 在第三层 —— Network 层，ARP 在第二层 —— Data Link 层；在第二层上的数据，我们把它叫 Frame，在第三层上的数据叫 Packet，第四层的数据叫 Segment。 

TCP 是一个协议，那这个协议是如何定义的，它的数据格式是什么样子的呢？

下面就将每个字段的信息都详细的说明：

- Sequence Number：用来标识从 TCP 发端向 TCP 收端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的的第一个数据字节在数据流中的序号；主要用来解决网络报乱序的问题。

- Acknowledgment Number：32位确认序列号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号，因此，确认序号应当是上次已成功收到数据字节序号加1。不过，只有当标志位中的ACK标志为1时该确认序列号的字段才有效。主要用来解决不丢包的问题。

- Offset：给出首部中32 bit 字的数目，需要这个值是因为任选字段的长度是可变的。这个字段占4bit（最多能表示15个32bit的的字，即4*15=60个字节的首部长度），因此 TCP 最多有60字节的首部。然而，没有任选字段，正常的长度是20字节。

- TCP Flags：TCP 首部中有6个标志比特，它们中的多个可同时被设置为1，主要是用于操控 TCP 的状态机的，依次为 URG，ACK，PSH，RST，SYN，FIN。每个标志位的意思如下：

(1) URG：此标志表示 TCP 包的紧急指针域有效，用来保证 TCP 连接不被中断，并且督促中间层设备要尽快处理这些数据；

(2) ACK：此标志表示应答域有效，就是说前面所说的 TCP 应答号将会包含在 TCP 数据包中；有两个取值：0和1，为1的时候表示应答域有效，反之为0；

(3) PSH：这个标志位表示 Push 操作。所谓 Push 操作就是指在数据包到达接收端以后，立即传送给应用程序，而不是在缓冲区中排队；

(4) RST：这个标志表示连接复位请求。用来复位那些产生错误的连接，也被用来拒绝错误和非法的数据包；

(5) SYN：表示同步序号，用来建立连接。SYN 标志位和 ACK 标志位搭配使用，当连接请求的时候，SYN=1，ACK=0；连接被响应的时候，SYN=1，ACK=1；这个标志的数据包经常被用来进行端口扫描。扫描者发送一个只有 SYN 的数据包，如果对方主机响应了一个数据包回来 ，就表明这台主机存在这个端口；但是由于这种扫描方式只是进行 TCP 三次握手的第一次握手，因此这种扫描的成功表示被扫描的机器不很安全，一台安全的主机将会强制要求一个连接严格的进行 TCP 的三次握手；

(6) FIN： 表示发送端已经达到数据末尾，也就是说双方的数据传送完成，没有数据可以传送了，发送 FIN 标志位的 TCP 数据包后，连接将被断开。这个标志的数据包也经常被用于进行端口扫描。

- Window:窗口大小，也就是有名的滑动窗口，用来进行流量控制。

二、三次握手

TCP 是面向连接的，无论哪一方向另一方发送数据之前，都必须先在双方之间建立一条连接。在 TCP/IP 协议中，TCP 协议提供可靠的连接服务，连接是通过三次握手进行初始化的。三次握手的目的是同步连接双方的序列号和确认号并交换 TCP 窗口大小信息。

第一次握手：建立连接。客户端发送连接请求报文段，将 SYN 位置为1，Sequence Number 为 x；然后，客户端进入 SYN_SEND 状态，等待服务器的确认；

第二次握手：服务器收到 SYN 报文段。服务器收到客户端的 SYN 报文段，需要对这个 SYN 报文段进行确认，设置 Acknowledgment Number 为 x+1 (Sequence Number+1)；同时，自己还要发送 SYN 请求信息，将 SYN 位置为1，Sequence Number 为 y；服务器端将上述所有信息放到一个报文段（即 SYN+ACK 报文段）中，一并发送给客户端，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 报文段。然后将 Acknowledgment Number 设置为 y+1，向服务器发送 ACK 报文段，这个报文段发送完毕以后，客户端和服务器端都进入 ESTABLISHED 状态，完成 TCP 三次握手。

Wireshark 抓包

三、四次分手

当客户端和服务器通过三次握手建立了 TCP 连接以后，当数据传送完毕，肯定是要断开 TCP 连接的啊。那对于 TCP 的断开连接，这里就有了神秘的"四次分手"。

第一次分手：主机1（可以是客户端，也可以是服务器端），设置 Sequence Number 和 Acknowledgment Number，向主机2发送一个 FIN 报文段；此时，主机1进入 FIN_WAIT_1 状态；这表示主机1没有数据要发送给主机2了；

第二次分手：主机2收到了主机1发送的FIN报文段，向主机1回一个ACK报文段，Acknowledgment Number 为 Sequence Number 加1；主机1进入 FIN_WAIT_2 状态；主机2告诉主机1，我"同意"你的关闭请求；

第三次分手：主机2向主机1发送 FIN 报文段，请求关闭连接，同时主机2进入 LAST_ACK 状态；

第四次分手：主机1收到主机2发送的 FIN 报文段，向主机2发送 ACK 报文段，然后主机1进入 TIME_WAIT 状态；主机2收到主机1的 ACK 报文段以后，就关闭连接；此时，主机1等待 2MSL 后依然没有收到回复，则证明 Server 端已正常关闭，那好，主机1也可以关闭连接了。

四、为什么要三次握手

为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端，因而产生错误。

五、为什么要四次分手

TCP 是全双工模式，这就意味着，当主机1发出 FIN 报文段时，只是表示主机1已经没有数据要发送了，主机1告诉主机2，它的数据已经全部发送完毕了；但是，这个时候主机1还是可以接受来自主机2的数据；当主机2返回 ACK 报文段时，表示它已经知道主机1没有数据发送了，但是主机2还是可以发送数据到主机1的；当主机2也发送了 FIN 报文段时，这个时候就表示主机2也没有数据要发送了，就会告诉主机1，我也没有数据要发送了，之后彼此就会愉快的中断这次 TCP 连接。

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