TCP协议详解

Posted 2021-04-15 互联网后端架构

TCP协议是TCP/IP体系中核心一个协议，该协议比起IP协议，ICMP协议，UDP协议都更复杂，因此这篇文章主要分析TCP协议在建立连接和断开连接的时候，状态转移以及报文段的内容。
下面，先放一张TCP的状态转移图：

TCP协议之三次握手

三次握手的过程是TCP在客户端和服务端建立连接的过程。简单的来说三次握手过程，就是客户端先发送一个连接请求给服务端，这是第一次握手。服务端接收到客户端发来的链接请求，然后在将确认的消息发给客户端，这是第二次握手。客户端对服务端发来的确认消息进行确认，然后将确认的消息发给服务端，这就是三次握手。三次握手之后，链接建立。
为什么一定是三次握手才能建立一个可靠地链接？如果不是三次握手，那么在客户端发送了链接请求之后，服务端对这个请求进行确认，就认定这次的链接已经成功建立，俗称的二次握手。这样的方式的弊端在哪里？
考虑这么一种情况，当客户端进行第一次握手时，发送了一个报文段，但是这个报文段因为网络的问题，迟迟没有到，这时，客户端又会再一次发送一个连接请求的报文段给服务端，这次成功接收，两者建立连接，并通信结束，关闭连接。这之后，因为网络延迟的那个报文段传到了服务端那里，服务端又以为客户端要建立新的连接，于是就同意了，向客户端发送确认。因为是二次握手，所以服务端后续要做的事情，就是等待客户端发送的消息，但是客户端是不会理会服务端传来的确认，所以服务端就会一直在等待客户端的数据，白白浪费了资源。

抓包分析TCP三次握手的报文段

现在，详细说一下三次握手具体是做了什么。
第一次握手，客户端发送一个报文段给服务端，该报文段中标志有SYN标志，该标志表示建立连接，以及一个初始的序列号。
第二次握手时，服务端发送一个报文段给客户端，该报文段中标志有SYN标志，和ACK标志。ACK标志的值是客户端发来的初始序号值+ 1，表示对客户端进行确认，报文段中还有服务端自己的初始序号。
第三次握手时，客户端发送一个报文段给服务端，该报文段中标志只有ACK标志，该ACK值是服务端的初始序列化的值 + 1，表示对服务端进行确认，以及还有一个序号值，该序号值为客户端第一次握手时的序号值 + 1。
三次握手建立连接结束。

图片上共有三行，每一行代表一次握手。我们先看第一行

可以看出，第一次握手时55732端口的程序主动发送一个建立链接的报文段给8888端口。这个55732端口是Java程序写的一个Socket客户端，8888端口是Socket程序写的服务端。建立连接的报文段，Flags中，只有SYN是为1的，这表明这是一个建立连接的报文段，该报文段中初始的序列号为0，ACK的number也为0。

第二次握手，是服务端发送给客户端一个报文段，表示确认收到了客户端的链接请求。该报文段中标志位有两个一个是ACK，一个SYN。表示收到链接请求，端口开放。该报文段中也会发送一个服务端自己的初始序列号。注意，这里ACK的值变成了1，是客户端初始序列号 + 1才有的。

第三次握手，是客户端发送给服务端一个报文段，表示确认收到了服务端的确认。因为双方端口都已经打开，所以客户端在发，就不会再有SYN标志了，这里只有ACK标志，该标志的值也是1，是因为服务端的初始序列号 + 1造成的。这里的序列号为1，是因为第一次握手，发送了一个SYN标志，该标志会占用1个序号值，但是ACK不会。
对应到上面的状态图中，就是客户端是主动打开，从起始点发送SYN报文段，进入SYN_SENT状态，然后接受SYN,ACK，走黑粗线的路径进入到数据传输状态，也就是ESTABLISHED,对于服务端而言，就是从起始点走虚线的部分，被动打开后，接受客户端的SYN，进入SYN_RCVD，最后，接受客户端第三次握手的ACK，进入数据传输状态，也就是ESTABLISHED。

TCP协议之四次挥手

TCP协议是一种全双工协议，拥有半关闭的特性。

全双工的意思是A可以往B发送数据，B同时也可以给A发送数据。
半双工的意思是A可以往B发送数据，B也可以给A发送数据，但是两者不能同时。
单工的意思是只能A给B发送数据，或者B给A发送数据。
半关闭的意思是将全双工，变成单工，也就是如果B关闭，是指B不能给A发数据了，但是A可以给B发

所以TCP协议如果要正常的关闭客户端与服务端的链接，需要四次报文段，也就是4次挥手。
首先，客户端因为应用程序的执行完毕，会主动开始断开链接，这时会发送一个含有FIN标志位的报文段。这表明客户端不会再发送数据给服务端。这时第一次挥手。
然后，服务端接收到这个报文段，就会发送一个含有ACK标志的报文段给客户端，表示确认收到了关闭的报文段。这是第二次挥手。
然后，服务端在处理完服务端的事情后，也会发送一个含有FIN的报文段给客户端，表示服务端不会再发送数据给客户端。这是第三次挥手。
最后，客户端收到这个报文段后，就会发送一个含有ACK的报文段给服务端，表示确认收到了关闭的报文段。这是第四次挥手。至此，链接全部关闭。

抓包分析TCP四次挥手的报文段

不用看黑色报文，4行代表关闭的4次挥手的过程，每一行是一次挥手。
第一行，是客户端主动关闭链接，发送一个含有FIN的报文段，这是第一次挥手
第二行，是服务端确认客户端的FIN报文，发送一个ACK的确认报文，该ACK的值是9，而第一行的序列号的8,因为与SYN一样，FIN也占一个序列号。
忽略黑的后第三行，服务端发送一个含有FIN的报文段，这是第三次挥手。
第四行，客户端会这个FIN报文段进行确认，发送了一个ACK报文段。该ACK的值是第三行的序列号 + 1。

对应到上面的状态图中，先说服务端的状态转移，因为收到了客户端的FIN，所以发送一个ACK给客户端，同时自己进入到CLOSE_WAIT状态，等待服务端应用程序结束，发送FIN给客户端，自己进入LAST_ACK状态，等待最后的ACK到来，接收到ACK，结束状态。

客户端因为先发起关闭，状态比较复杂，他先发送一个FIN给服务端，自己进入了FIN_WAIT_1状态，这时他等待接收服务端的报文，该报文会有三种可能：

1. 只有服务端的ACK

2. 只有服务端的FIN

3. 基于服务端的ACK，又有FIN

对于第一种，该ACK是服务端确认了客户端的FIN而发的，这时客户端会进入FIN_WAIT_2状态，这是当他收到服务端的FIN来时，发送了一个ACK，会进入到TIME_WAIT状态，他要在这个状态等待2MSL的时间，1个MSL是报文段在网络的最长时间，客户端等待2MSL，是为了当最后一个ACK丢失时，可以在发送一次，因为这时，服务端在等待超时后在发送一个FIN给客户端，所以客户端也知道了ACK丢失了。

对于第二种，只有服务端的FIN的时，会发送一个ACK给服务端，客户端进入CLOSING状态，然后接收到服务端的ACK时，也会进入TIME_WAIT状态。

对于第三种，同时都收到了，就省略了进入CLOSING状态，直接进入TIME_WAIT状态。抓包分析的截图，就是这种情况。

抓包工具（wireShark）