TCP入门与实例讲解

Posted 2020-08-18

内容简介

TCP是TCP/IP协议栈的核心组成之一，对开发者来说，学习、掌握TCP非常重要。

本文主要内容包括：什么是TCP，为什么要学习TCP，TCP协议格式，通过实例讲解TCP的生命周期（建立连接、传输数据、断开连接）

TCP简介

传输层控制协议（Transport Control Protocol），TCP/IP协议栈的核心之一。位于应用层与网络层之间，提供面向连接的、可靠的字节流服务。

记住关键词“面向连接”、“可靠”、“字节流”，这是学习掌握TCP的关键：

• 面向连接：客户端、服务端交换数据前，需要建立连接；
• 可靠：通过特定机制，在不可靠的网络之上，确保报文准确送达，
• 字节流：数据的最小单位为字节。至于字节中存储内容的含义，由于应用层的程序决定。

TCP如何确保服务可靠性

TCP花了大量的功夫在确保传输层服务的可靠性上，具体举措包括（但不限于）以下：

• 应用数据切割：应用数据被分隔成TCP认为最适合发送的多个报文段（由特定的算法和机制来确认）
• 接收端确认：接收端收到报文段后，会向发送端发送确认报文；
• 超时重传机制：发送端发送一个报文段后，会启动定时器，等待接收端确认收到这个报文；如果没有及时收到确认，发送端会重新发送报文；
• 数据校验和：发送端发送的报文首部中，有个叫做校验和(checksum)的特殊字段，它是根据报文的首部、数据计算出来的。这是一个端到端的校验和，用来检测传输过程数据的变化。接收端收到报文后会对校验和进行检查，如果校验和存在差错，则丢弃这个报文，且不确认收到此报文（等待发送端超时重发）
• 报文段排序：TCP报文包裹在IP数据包里进行传输，而IP数据包的到达次序是不固定的。接收端会对接收到的报文段重新排序，这个对应用层是无感知的；
• 去重复：接收端丢弃重复的报文（比如，因某些原因，虽然接收端已经收到报文，且给发送端发送了接收确认，但接收端没有收到该确认，超时后重新发送了同样的报文）；
• 流量控制：TCP连接双方都有固定大小的缓冲空间，且只允许发送端发送缓冲空间能够容纳的数据，避免缓冲区溢出；

TCP传输服务的可靠性对应用层的开发者来说至关重要。作为应用层的开发者（比如HTTP server），除了业务逻辑之外，如果还需要操心数据是否正常送达，接收到的数据是否完整，开发效率会相当低下。

参考自《TCP/IP详解卷一》，推荐阅读

TCP首部格式

TCP首部格式如下图所示，在不包含可选字段的情况下，大小通常为20个字节。部分字段定义可能并不直观，如果读者觉得某些首部字段不好理解，建议先跳过，结合后文的实例可能更容易理解些。

比如 Sequence Number/Acknowledgment Number/ACK/SYN，结合TCP建立连接的过程来看，会更好理解。

这里留个小问题给读者：怎么知道TCP报文段数据（data）的长度是多少？

Source Port（来源端口）：16位

Destination Port（目的端口）：16位

Sequence Number（序号）：32位

TCP报文段中的数据部分，每一个字节都有它的序号（递增）。根据控制标志（Control Bits）中的SYN是否为1，Sequence Number 表达不同的含义：

• SYN = 1：当前为连接建立阶段，此时的序号为初始序号（ISN）。当数据传输正式开始时，数据的第一个字节的序号为 ISN + 1;
• SYN = 0：当前报文段中，数据部分的第一个字节的序号。

Acknowledgment Number（确认序号）：32位

当控制标志的ACK为1时，表示发送方希望收到的下一个报文段的序号（Sequence Number）。一旦连接建立成功，ACK值一直为1。

Data Offset（数据偏移量）：4位

TCP报文段的首部长度，单位是word（4字节）。字面含义是：TCP报文段的数据的起始处，距离TCP报文段的起始处 的偏移量。4个字节最大能表示的数字是15，所以首部最大60字节。

Reserved（保留字段）：6位

预留作为后续用途，必须是0。

Control Bits（控制标志）：6位

一共有6个控制标志，其中SYN/ACK、FIN/ACK主要用于连接的建立、断开阶段。

• URG: 当置为1时，表示紧急指针（Urgent Pointer）字段有效；
• ACK: 确认序号字段（Acknowledgment Number）有效；
• PSH: 接收方应立即把这个报文段交给应用层；
• RST: 重建连接；
• SYN: 同步序号，用于建立连接；
• FIN: 发送端不再发送数据；

Window Size（窗口大小）：16位

允许对方发送的数据量。告诉对方自己缓冲区还能容纳多少字节，用来控制对方发送数据的速度。

比如，服务端发送给客户端的TCP报文段中，确认序号是701，窗口字段（Window Size）是1000，表明服务端能够接受客户端发来的，序号从701开始的1000字节数据。

Checksum（校验和）：16位

发送端对TCP首部、数据进行CRC运算得出的结果。接收端收到数据后，对接收到的TCP报文段的首部、数据进行CRC运算，并跟TCP首部中的校验和进行对比，确保数据在传输过程中没有损坏。

计算、校验规则这里先不展开。

Urgent Pointer（紧急指针）：16位

仅在URG=1时才生效，它的值是一个偏移量，和序号字段中的值相加得到紧急数据最后一个字节的序号。

options（可选字段）：大小不固定

最常见的可选字段是MSS（Maximum Segment Size），表示最长报文大小，通信双方通常在连接的第一个报文段中指明这个选项。（只能出现在SYN报文中）

建立连接 vs 断开连接

TCP的两段正式开始传输数据前，需要先建立连接。一旦数据传输完成，则需要断开连接。

后面章节中，会通过实际例子说明TCP数据传输的完整生命流程。在这之前，先简单介绍下TCP是如何建立连接以及断开连接的，也就是我们所熟悉的3次握手以及4次挥手。

这里留几个问题给读者朋友：

1. 建立连接的主要目的是什么？做了哪些事情？
2. 建立连接为什么是3次握手，可不可以是2次？
3. 断开连接一定要4次挥手吗？

Seq => Sequence Number，Ack => Acknowledgment Number，[SYN] => 控制标志SYN，[ACK] => 控制标志ACK

建立连接

一般情况下，握手流程如 下图 所示，主要做了两件事情：

1. 互相确认对方当前可以建立连接
2. 互相交换确认初始序列号（ISN）

断开连接

一般情况下，TCP断开连接需要4次挥手。假设 TCP A 主动断开连接，流程如下。主要就是告知对方，自己准备断开连接了，并且等待对方的确认。

从实例看TCP生命周期

在这一小节，会通过例子，阐述TCP从建立连接，到数据传输，到最后断开连接的整个过程，并通过wireshark抓包探究一些通信的细节。

首先，打开wireshark监听网络请求。然后，在终端输入如下命令发送HTTP请求。

curl http://id.qq.com/index.html

下面为wireshark抓包截图，分为3个部分，分别为 (1)建立连接，(2)数据传输，(3)断开连接。

建立连接

1、本地 -> 服务端：[SYN] Seq=0；

备注：本例子中中，客户端、服务端的初始Seq值其实不是0，截图中展示的0是个相对值，是wireshark为了方便开发者进行抓包分析转化过来的。

2、服务端 -> 本地：[SYN, ACK] Seq=0, Ack=1；

3、本地 -> 服务端：[ACK] Seq=1, Ack=1

到这里，双方连接建立，开始交换数据

数据传输

数据交换是双向的，这里以服务端的HTTP响应为例子。响应内容较大，被拆成了多个TCP包。整个数据发送的过程，就是服务端向客户端发送数据，客户端向服务端发送确认的过程。

1.1、服务端->客户端：Seq=1，TCP数据长度273。也就是说，服务端发送的报文段中，第一个数据字节的序号是1；下一个TCP报文段，第一个数据字节的序号应该是274。

1.2、客户端->服务端：Ack=274。表示客户端已经收到序号274之前的所有字节；也就是说，服务端如果继续给客户端发送TCP报文，应该发送序号274及以后的数据。

2.1、服务端->客户端：Seq=274，TCP数据长度1400。也就是说，服务端发送的报文段中，第一个数据字节的序号是274；下一个TCP报文段，第一个数据字节的序号应该是1674（274 + 1400）。

2.2、。。。

后面的分析过程同上。

断开连接

从抓包中看到比较有意思的点。当服务端收到客户端的断开请求时（FIN=1)，服务端在同一个响应包里发送了FIN、ACK，达到了减少一个数据包的效果。

为什么要学习TCP

笔者在前端招聘的面试中，经常会问一些网络基础方面的问题，经常会有面试者感到困惑：为什么要问这些问题？这些知识是他们需要掌握的吗？好像跟工作关联不大？

这可能是普遍的误区。

掌握HTTP协议的重要性不用强调，WEB开发者的基础要求之一。但是，有必要学习TCP吗？这个问题倒是值得思考一下。

答案是：很有必要。

举个例子：

WebSocket是基于TCP的，并复用了HTTP的握手通道。如果开发者对HTTP、TCP没有一定的了解，那么在使用WebSocket的时候，WebSocket对他来说就像一个黑盒，充满了各种黑科技。WebSocket、HTTP两者有什么关联？WebSocket跟Socket.io有什么关联？为什么服务端开启多个Socket.io实例，并通过反向代理进行转发后，连接握手就会失败？

如果开发者对HTTP、TCP足够了解，在遇到上面的问题时，就不至于毫无头绪。

再举个例子：

在探究性能优化时，经常会提到HTTP/2。什么是HTTP/2，为什么说HTTP/2的性能比HTTP 1.1好？什么是HTTP/2的多路复用？是怎么实现的？有什么好处？

同样的，如果对HTTP、TCP足够了解，上面的问题并不难回答，翻翻书或协议，至少能够回答个大概。

写在后面

TCP/IP由复杂的协议栈组成，而TCP是协议栈中的核心部分。TCP协议本身非常复杂，本文只是对基础部分进行了讲解，还有许多内容尚未覆盖到，比如TCP的超时重传机制、拥塞控制机制等，后面有时间再继续展开。

如有错漏，敬请指出。

相关链接

《TCP/IP详解卷一》

Difference between push and urgent flags in TCP

Calculate size and start of TCP packet data (excluding header)

Why do we need a 3-way handshake? Why not just 2-way?

原文地址：https://www.chyingp.com/posts/understanding-tcp/