我不懂微服务：TCP三次握手

Posted 2023-02-18 杨友山

一、关于TCP
TCP是一种网络传输协议，这个协议只有资深网络工程是才能描述清楚，其他人的描述都是片面的。博主也试图从自己认识的角度讲解。
先来看看OSI七层模型，这个模型很多很都认识。如图，

这个图我们暂时不用深入理解，我们抓住这三点就好了：
1、网络之间的连接其本质是一个点到另一个点建立连接；
2、单纯的一个点建立连接，只有计算机自己认识，大规模建立网络门槛比较高，因为需要懂计算机原始连接的人才行。为了让网络给人们造福，需要在这种连接的基础上层层封装，每一层封装网络连接的本质没变，但是操作起来更方便。
3、数据从应用层发下来，会在每一层都会加上头部信息，进行封装，然后再发送到数据接收端。接收端接收到数据后按照从外层到内层反解封。
每一层大概完成的事情，如下：
应用层——用户A编辑邮件内容发送给用户B，B实现存储。
内容+目标。

表示层——客户端A格式→网络通用的标准数据格式→客户端B格式。
统一数据格式。

会话层——规定何时建立连接，何时发送数据。
怎么连接，怎么传输。

传输层——建立连接，断开连接。有确认功能，如果信息传输不完整，会重发。
提供正确的、可靠的传输处理。

网络层——真正的传输数据，将邮件从主机A发送到主机B。
把全部数据发送给目标地址。

数据链路层——通过传输介质互联的设备之间进行数据处理。负责物理层面互联的、节点之间的通信传输，发送一个分段内的数据。

数据帧的生成与接收。

物理层——负责0、1比特流（0、1序列）与高低电压、光的闪灭之间的互换。

TCP就在传输层，它的格式数据格式如下，

1、Source Port和Destination Port:分别占用16位，表示源端口号和目的端口号；用于区别主机中的不同进程，而IP地址是用来区分不同的主机的，源端口号和目的端口号配合上IP首部中的源IP地址和目的IP地址就能唯一的确定一个TCP连接；
2、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；主要用来解决网络包乱序的问题；
3、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；
4、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；
5、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：
URG：此标志表示TCP包的紧急指针域（后面马上就要说到）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；
 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；
 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；
 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；
 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；
 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：占2个字节。窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。
CheckSum：占2字节。检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。和UDP数据报一样，在计算检验和时，也要在TCP报文段的前面加上12字节的伪首部。伪首部的格式与UDP用户数据报的伪首部一样，但要将伪首部第四个字段中的17 改为6（协议号），把第5字段中的UDP长度改为TCP长度。
Urgent Pointer：占2字节。紧急指针仅在URG=1时才有意义，它指出本报文段中的紧急数据的字节数。

TCP Options(variable length,optional) 选项和填充数据
以上为消息头，
剩余则是本次传输的数据。

上图解释成中文，是这样：

二、三次握手
通过TCP连接，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。 

三次握手之后，双方开始传数据。

整个流程如下：
1、客户端和服务端最初都为CLOSED状态。客户端主动打开，发送连接请求报文段，将SYN标识位置为1(TCP规定SYN=1时不能携带数据)，Sequence Number置为a（a为随机值），然后客户端状态变为：CLOSED=>SYN_SEND状态；

2、服务器收到SYN报文段进行确认，将SYN标识位置为1，ACK置为1，Sequence Number置为b，Acknowledgment Number置为a+1，然后服务端状态变为：CLOSED=>SYN_RECV状态。客户端接收到服务端信息后状态变为：SYN_SEND=>ESTAB_LISHED；
3、客户端再进行一次确认，将ACK置为1（此时不用SYN），Sequence Number置为a+1，Acknowledgment Number置为b
+1发向服务器，服务端状态变为：SYN_RECV=>ESTAB_LISHED状态。

其本质是双方依次向对发一个数字Sequence Number并让对方返回一个确认数字Acknowledgment Number。如果对方返回的确认数字符合我的预期，表示安全，可以建立连接了。

比如，客户端和服务端通讯类似这个场景。

客户端和服务端是俩死党，他俩约定为了防止聊天聊错了对象，聊天前需要确认下信息，对下黑话。
比如定了一个暗号，谁要说话就带了一个数字A，你下次也要发给我确认这个数字，规律是这个数字默认+1。
于是，某一天下午，
客户端和服务端都在午睡，
客户端做了噩梦，自己醒了，想找服务端唠唠家常......
  客户端：服务端你好，咱俩唠唠吧（SYNC变为1了），9527
  服务端：没问题（给客户端一个确认信息了ACK=1），666，9528（确认数字），咱开始聊吧（SYNC=1）
  客户端：好吧开始聊（给服务端也回一个确认信息ACK=1，这时就不用说咱开始聊吧所以不用再传SYNC=1了）。9528，667（确认数字）

  客户端/服务端： 晚上咱去喝点？（这就开始传数据了）

三、为什么三次握手

三次握手，主要解决：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。
如果取消第三次握手，那么只要服务器确认后就开始建立连接。假如有一个客户端请求由于某种原因延迟了很久才到达服务端，而此时客户端并没有发起建立连接。
但是服务端确认了，然后服务端发起建立连接。这样服务端一直等待客户端连接（实际上客户端不会发起），造成资源浪费。