TCP 三次握手颤难、四手揮手神年，這樣說你能明白吧！

來自公眾號：架構文摘

TCP協(xié)議全稱為：Transmission Control Protocol行嗤，是一種面向鏈接已日、保證數(shù)據(jù)傳輸安全、可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議栅屏。為了確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸捂敌，不僅需要對發(fā)出的每個字節(jié)進行編號確認，還需要驗證每一個數(shù)據(jù)包的有效性既琴。每個TCP數(shù)據(jù)包是封閉在IP包中的占婉，每個一IP包的后面緊跟著的是TCP頭懂拾，TCP報文格式如下：

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源端口和目的端口字段

  • TCP源端口（Source Port）：源計算機上的應用程序的端口號辣卒，占 16 位脖镀。

  • TCP目的端口（Destination Port）：目標計算機的應用程序端口號椭懊，占 16 位翎嫡。

序列號字段

CP序列號（Sequence Number）：占 32 位囤萤。它表示本報文段所發(fā)送數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)的編號驮俗。在 TCP 連接中西乖，所傳送的字節(jié)流的每一個字節(jié)都會按順序編號松靡。當SYN標記不為1時简僧，這是當前數(shù)據(jù)分段第一個字母的序列號；如果SYN的值是1時雕欺，這個字段的值就是初始序列值（ISN）岛马，用于對序列號進行同步棉姐。這時，第一個字節(jié)的序列號比這個字段的值大1啦逆，也就是ISN加1伞矩。

確認號字段

TCP 確認號（Acknowledgment Number，ACK Number）：占 32 位夏志。它表示接收方期望收到發(fā)送方下一個報文段的第一個字節(jié)數(shù)據(jù)的編號乃坤。其值是接收計算機即將接收到的下一個序列號，也就是下一個接收到的字節(jié)的序列號加1沟蔑。

數(shù)據(jù)偏移字段

TCP 首部長度（Header Length）：數(shù)據(jù)偏移是指數(shù)據(jù)段中的“數(shù)據(jù)”部分起始處距離 TCP 數(shù)據(jù)段起始處的字節(jié)偏移量湿诊，占 4 位。其實這里的“數(shù)據(jù)偏移”也是在確定 TCP 數(shù)據(jù)段頭部分的長度瘦材，告訴接收端的應用程序厅须，數(shù)據(jù)從何處開始。

保留字段

保留（Reserved）：占 4 位宇色。為 TCP 將來的發(fā)展預留空間九杂，目前必須全部為 0。

標志位字段

  • CWR（Congestion Window Reduce）：擁塞窗口減少標志宣蠕，用來表明它接收到了設置 ECE 標志的 TCP 包例隆。并且，發(fā)送方收到消息之后抢蚀，通過減小發(fā)送窗口的大小來降低發(fā)送速率镀层。

  • ECE（ECN Echo）：用來在 TCP 三次握手時表明一個 TCP 端是具備 ECN 功能的。在數(shù)據(jù)傳輸過程中皿曲，它也用來表明接收到的 TCP 包的 IP 頭部的 ECN 被設置為 11唱逢，即網(wǎng)絡線路擁堵。

  • URG（Urgent）：表示本報文段中發(fā)送的數(shù)據(jù)是否包含緊急數(shù)據(jù)屋休。URG=1 時表示有緊急數(shù)據(jù)坞古。當 URG=1 時，后面的緊急指針字段才有效劫樟。

  • ACK：表示前面的確認號字段是否有效痪枫。ACK=1 時表示有效。只有當 ACK=1 時叠艳，前面的確認號字段才有效奶陈。TCP 規(guī)定，連接建立后附较，ACK 必須為 1吃粒。

  • PSH（Push）：告訴對方收到該報文段后是否立即把數(shù)據(jù)推送給上層。如果值為 1拒课，表示應當立即把數(shù)據(jù)提交給上層徐勃，而不是緩存起來事示。

  • RST：表示是否重置連接。如果 RST=1疏旨，說明 TCP 連接出現(xiàn)了嚴重錯誤（如主機崩潰）很魂，必須釋放連接扎酷，然后再重新建立連接檐涝。

  • SYN：在建立連接時使用，用來同步序號法挨。當 SYN=1谁榜，ACK=0 時，表示這是一個請求建立連接的報文段凡纳；當 SYN=1窃植，ACK=1 時，表示對方同意建立連接荐糜。SYN=1 時巷怜，說明這是一個請求建立連接或同意建立連接的報文。只有在前兩次握手中 SYN 才為 1暴氏。

  • FIN：標記數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢延塑。如果 FIN=1，表示數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完成答渔，可以釋放連接关带。

窗口大小字段

窗口大小（Window Size）：占 16 位沼撕。它表示從 Ack Number 開始還可以接收多少字節(jié)的數(shù)據(jù)量宋雏，也表示當前接收端的接收窗口還有多少剩余空間。該字段可以用于 TCP 的流量控制务豺。

TCP 校驗和字段

校驗位（TCP Checksum）：占 16 位磨总。它用于確認傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否有損壞。發(fā)送端基于數(shù)據(jù)內(nèi)容校驗生成一個數(shù)值笼沥，接收端根據(jù)接收的數(shù)據(jù)校驗生成一個值蚪燕。兩個值必須相同，才能證明數(shù)據(jù)是有效的敬拓。如果兩個值不同邻薯，則丟掉這個數(shù)據(jù)包。Checksum 是根據(jù)偽頭 + TCP 頭 + TCP 數(shù)據(jù)三部分進行計算的乘凸。

緊急指針字段

緊急指針（Urgent Pointer）：僅當前面的 URG 控制位為 1 時才有意義厕诡。它指出本數(shù)據(jù)段中為緊急數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，占 16 位营勤。當所有緊急數(shù)據(jù)處理完后灵嫌，TCP 就會告訴應用程序恢復到正常操作壹罚。即使當前窗口大小為 0，也是可以發(fā)送緊急數(shù)據(jù)的寿羞，因為緊急數(shù)據(jù)無須緩存猖凛。

可選項字段

選項（Option）：長度不定，但長度必須是 32bits 的整數(shù)倍绪穆。

TCP建立連接

TCP建立連接需要三個步驟辨泳，也就是大家熟知的三次握手。下圖了正常情形下通過三次握手建立連接的過程：

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  • A機器發(fā)出一個數(shù)據(jù)包SYN設置為1玖院，表示希望建立連接菠红。這個包中的假設seq為x。

  • 機器A發(fā)送SYN數(shù)據(jù)包后难菌，會進入SYN_SENT狀態(tài)

  • B機器收到A發(fā)送的SYN數(shù)據(jù)后试溯，響應一個數(shù)據(jù)包將SYN和ACK設置為1，假設這個響應包的序列號為y郊酒，同時期望下一次收到的數(shù)據(jù)庫的序列為x+1

  • B回復響應包后遇绞，進入SYN_RECD狀態(tài)

  • A收到B的響應包后，對響應包做應答將ACK標志設置為1燎窘，序列號為x + 1摹闽，期望下一次收到的數(shù)據(jù)包的序列號為y+1

  • A機器和B機器連接建立成功

TCP三次握手抓包驗證

以為驗證三次握手是否描述正確，在下使用Wireshark進行抓包驗證荠耽。首先使用ping命令獲取www.baidu.com的ip地址：

正在 Ping www.a.shifen.com [183.232.231.174] 具有 32 字節(jié)的數(shù)據(jù):
來自 183.232.231.174 的回復: 字節(jié)=32 時間=16ms TTL=54
來自 183.232.231.174 的回復: 字節(jié)=32 時間=16ms TTL=54
來自 183.232.231.174 的回復: 字節(jié)=32 時間=16ms TTL=54

183.232.231.172 的 Ping 統(tǒng)計信息:
    數(shù)據(jù)包: 已發(fā)送 = 3钩骇，已接收 = 3，丟失 = 0 (0% 丟失)铝量，
往返行程的估計時間(以毫秒為單位):
    最短 = 16ms倘屹，最長 = 16ms，平均 = 16ms

以上輸出顯示www.baidu.com的ip地址：183.232.231.174慢叨，然后使用Wireshark的過濾器僅顯示與www.baidu.com通信的tcp數(shù)據(jù)包：

ip.src_host == "183.232.231.174" or ip.dst_host == "183.232.231.174" and tcp

使用Wireshark抓包分析后纽匙，驗證TCP正常連接三次握手與上節(jié)描述的一致。

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為什么是三次握手拍谐？

為什么是三次握手烛缔？三次握手主要有兩個目的：信息對等和防止超時。

信息對等

兩臺機器通信時都需要確認四個信息：

  • 自己發(fā)報文的能力

  • 自己收報文的能力

  • 對方發(fā)報文的能力

  • 對方收報文的通知

第一次握手

第一次握手A機器向B機器發(fā)送SYN數(shù)據(jù)包轩拨，此時只有B機器能確認自己收報文的能力和對方發(fā)報文的能力践瓷。

一次握手完成B機器能夠確認的信息有：

√B機器收報文的能力

√A機器發(fā)報文的能力

第二次握手

每二次握手后B響應A機器的SYN數(shù)據(jù)包，此時A機器就能確認：自己發(fā)報文的能力亡蓉、自己收報文的能力晕翠、對方發(fā)報文的能力、對方收報文的能力

二次握手完成A機器能夠確認的信息有：

√A機器發(fā)報文的能力

√A機器收報文的能力

√B機器發(fā)報文的能力

√B機器收報文的能力

第三次握手

每三次握手后A應答B(yǎng)機器的SYN + ACK數(shù)據(jù)包，此時B機器就能確認：自己發(fā)報文的能力淋肾、對方收報文的能力

三次握手完成B機器能夠確認的信息有：

√B機器發(fā)報文的能力

√A機器收報文的能力

至此經(jīng)過三次握手A硫麻、B機器就能做到信息對等，雙方都能確認自己和對方的收樊卓、發(fā)報文的能力拿愧，最后方便理解將信息對等制作成一個小表格：

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防止超時

三次握手除了保證信息對等也是了防止請求超時導致臟連接。TTL網(wǎng)絡報文的生存往往會超過TCP請求超時時間碌尔，如果兩次握手就能創(chuàng)建連接浇辜，傳輸數(shù)據(jù)并釋放連接后，第一個超時的連接請求才到達B機器七扰，B機器 會以為是 A 創(chuàng)建新連接的請求奢赂，然后確認同意創(chuàng)建連接陪白。因為A機器的狀態(tài)不是SYN_SENT颈走，所以會直接丟棄了B的確認數(shù)據(jù)，導致 B 機器單方面的創(chuàng)建連接完畢咱士。

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如果是三次握手立由，則 B 機器收到連接請求后，同樣會向 A 機器確同意創(chuàng)建連接序厉，但因為 A 不是SYN_SENT狀態(tài)锐膜，所以 A機器 不會回復 B 機器確認創(chuàng)建連接請求，而 B 機器到一段時間后由于長時間沒有收到確認信息弛房，最終會導致連接創(chuàng)建失敗道盏，因此不會出現(xiàn)臟連接。

TCP斷開連接

TCP是全雙工通信文捶，雙方都能作為數(shù)據(jù)的發(fā)送方和接收方荷逞，但TCP會有斷開的時候。TCP建立連接需要三次握手而斷開連接卻要四次粹排，如圖所示為TCP斷開連接四次揮手過程：

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  • A 機器發(fā)送關閉數(shù)據(jù)包將FIN設置為1种远，假設序列號為u，發(fā)完關閉數(shù)據(jù)包后此時 A 機器處理FIN_WAIT_1狀態(tài)

  • B 收到關閉連接請求后顽耳，通知應用程序處理完剩下的數(shù)據(jù)

  • B 響應 A 的關閉連接請求坠敷，將ACK標志設置為1，seq為v射富，ack為u+1膝迎，隨后 B 機器處于 CLOSE_WAIT狀態(tài)

  • A 收到應答后，處于FIN_WAIT_2狀態(tài)胰耗，繼續(xù)等待 B 機器的FIN數(shù)據(jù)包

  • B 處理好現(xiàn)場后限次，主動向 A 機器發(fā)送數(shù)據(jù)包，并將FIN和ACK標志設置為1宪郊，seq為w掂恕，ack為u+1拖陆，隨后處于LAST_WAIT狀態(tài)等待 A 機器的應答

  • A 機器收到FIN數(shù)據(jù)包后，隨后發(fā)送ACK數(shù)據(jù)包懊亡，seq為u+1,ack為w+1, 此時 A 機器處理TIME_WAIT狀態(tài)

  • B 機器收到ACK響應包后依啰，進行CLOSED狀態(tài)，連接正常關閉

  • A 機器在TIME_WAIT狀態(tài)等待2MSL后店枣，也進入CLOSEED狀態(tài)速警，連接關閉

什么是2MSL：MSL是Maximum Segment Lifetime英文的縮寫，中文可以譯為“報文最大生存時間”鸯两，
2MSL即兩倍的MSL

四次揮手斷開連接可以用更形象的方式來表達：

  • 男生 ：我們分手吧闷旧。

  • 女生 ：好的，我需要去家里把東西收拾完钧唐，再發(fā)消息給你忙灼。（此時男生不能再擁抱女生）

  • 。钝侠。该园。，一個小時后

  • 女生 ：我收拾完了帅韧，分手吧（此時女生也不能再擁抱男生）

  • 男生：好的（此時雙方約定一段時間后里初，才可以分別找新的對象）

TCP四次揮手抓包驗證

抓包過程與與三次握手抓包過程一致，這里不描述忽舟。直接看訪問后抓包的截圖：

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  • 第一個包是由192.168.1.6這臺機器（也就是客戶機）双妨，發(fā)送了一個FIN包，seq為80,ack為2782

  • 第二個包由183.232.231.174（服務器）叮阅，對192.168.1.6這臺機器（也就是客戶機）發(fā)送了一個ACK包刁品，seq為2782，ack為81

  • 第三個包由183.232.231.174（服務器）帘饶，對192.168.1.6這臺機器（也就是客戶機）發(fā)送了一個ACK和FIN包哑诊，seq為2782，ack為81

  • 第四個包由192.168.1.6及刻，向服務器響應了一個ACK包镀裤，seq為81，ack為2783

四次揮手流程與我們描述的一致缴饭。

TIME_WAIT 狀態(tài)

主動要求關閉的機器（機器A）表示收到對方的FIN報文后暑劝，并發(fā)送出ACK報文后，進行TIME_WAIT狀態(tài)颗搂，等待2MSL后進行CLOSED狀態(tài)担猛。如果在TIME_WAIT_1 時收到FIN標志和ACK標志報文時，可以直接進入TIME_WAIT狀態(tài)，而無需進入TIME_WAIT_2狀態(tài)傅联。

為什么要有 TIME_WAIT

確認被動關閉（機器B）能夠順利進入CLOSED狀態(tài)

假如A機器發(fā)送最后一個ACK后先改，但由于網(wǎng)絡原因ACK包未能到達 B 機器，此時 B機器通常會認為 A機器 沒有收到 FIN+ACK報文蒸走，會重發(fā)一次FIN+ACK報文仇奶。如果 A機器 發(fā)送最后一個ACK后，自私的關閉連接進入 CLOSED狀態(tài)比驻，就可能導致 B 無法收到ACK報文该溯，無法正常關閉。

防止失效請求

TIME_WAIT 狀態(tài)可以防止已失效的請求包與正常連接的請求數(shù)據(jù)包混淆而發(fā)生異常别惦。因為TIME_WAIT 狀態(tài)無法真正釋放句柄資源狈茉，在此期間， Socket中使用的本地端口在默認情況下不能再被使用掸掸。

CLOSE_WAIT 狀態(tài)

被動關閉的機器（機器B）在收到對方發(fā)送的氯庆，FIN報文后，馬上回復ACK報文猾漫，進入CLOSE_WAIT狀態(tài)点晴。通知應用程序，處理剩下的數(shù)據(jù)悯周，釋放資源。

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