TCP 首部

TCP 数据被封装在 IP 数据报中：

IP data

TCP 首部数据格式：

TCP header format

  • 每个 TCP 段都包含了源端口号和目的端口号，用于寻找发端和接收端的应用程序。这两个端口号加上 IP 首部的源端 IP 地址和目的端 IP 地址就可以确定一个TCP连接。
  • 序号：sequence number, 用来标识从 TCP 发端向 TCP 收端发送的数据字节流。
  • 确认序号：acknowledgement number, 确认序号只有在 ACK 标志位开启(值为1)时有效，值为要确认的数据包的 sequence number + 1。如客户端发送了一个数据包(序号为x)给服务端，则服务端收到这个数据包之后要回复一个确认数据包(确认序号为x + 1)。

  • 标志位：共有 6 个，每个标志位用 1 和 0 分别表示开和关状态。

    • URG: The urgent point is valid. 当 URG=1 时，表示报文段中有紧急数据，应尽快传送。
    • ACK: The acknowledgement number is valid. 确认标志位，当 ACK=1 时，表示这是一个确认包。
    • PSH: The receiver should pass this data to the application as soon as possible. 当 PSH=1 时，接收端应尽快将数据交给应用程序。
    • RST: Reset the connection. 复位标志位，当 RST=1 时，表示 TCP 连接出现了严重错误，必须释放连接，重新建立连接。
    • SYN: Synchronize sequence numbers to initiate a connection. 在建立连接时，用来同步序号。SYN=1，ACK=0 表示发起请求连接；SYN=1，ACK=1 表示同意建立连接请求。
    • FIN: The sender is finished sending data.

  • 检验和：该字段检验的范围包括首部和数据，由发送端计算和存储，并由接收端进行检验。

  • 窗口：用来控制对方发送的数据量，通知发放已确定的发送窗口上限。
  • 紧急指针：在标志位 URG=1 时才有效，它指出本报文中的紧急数据的字节数。

每个TCP数据包的格式都是固定的，都包含了端口号，序号，确认序号，标志位等。

三次握手和四次握手

TCP 建立连接需要经过三次握手 (three-way handshake)，关闭连接需要经过四次握手。

TCP three-way handshake

建立连接的三次握手

  • 第一次，客户端发送一个数据包：TCP首部的标志位SYN被设置为1，并且序号为初始序号ISN(Initial Sequence Number)。此时，客户端处于 SYN_SENT 状态。
  • 第二次，服务器收到客户端的连接请求后，由标志位SYN为1知道这个是建立TCP连接的请求，返回一个数据包：TCP首部的标志位SYN和ACK都被设置为1；序号为服务器端的ISN；确认序号为客户端序号 + 1。此时，服务器处于 SYN_RCVD 状态。
  • 第三次，客户端收到服务端的返回数据之后，由标志位SYN和ACK为1知道服务器同意建立TCP连接的确认数据包。检查确认序号的值(第一次握手客户端发送的序号 + 1)，标志位SYN和ACK都正确之后，返回一个数据报给服务器：SYN=0；ACK=1；序号递增 (即上次序号 + 1)；确认序号的值为服务器发送过来的序号 + 1。服务器收到这个数据包并检查数据报正确之后，客户端和服务端成功建立TCP连接，进入 ESTABLISHED 状态。

关闭连接的四次握手

  • 第一次，主动关闭的那一端(假设为客户端)发送一个关闭连接FIN数据包：TCP首部的标志位FIN设置为1；序号为正常递增值。此时，客户端进入为 FIN_WAIT_1 状态。
  • 第二次，另一端收到数据包之后，由FIN为1知道这是另一端关闭连接的请求。然后返回一个确认数据包：TCP首部标志位ACK设置为1；确认序号为发端序号 + 1；序号正常递增值。此时，服务器进入 CLOSE_WAIT 状态。当客户端收到确认数据包之后进入 FIN_WAIT_2 状态。
  • 第三次，当服务端发送完数据之后，向客户端发送一个关闭连接数据包：TCP首部的标志位FIN设置为1;序号为正常递增值。此时，服务端进入 LAST_ACK 状态。
  • 第四次，客户端收到数据包之后，由FIN为1知道这是服务端要关闭连接了，然后返回一个确认数据包：TCP首部标志位ACK设置为1；确认序号为收到的序号 + 1；序号为正常递增值。此时，客户端进入 TIME_WAIT 状态。

为什么建立连接是三次握手不是两次握手？关闭连接要四次握手？

  • 建立连接的时候，当客户端收到服务端的确认信息之后(第二次握手)就已经知道了服务端同意了连接，为什么还要再发送确认数据包给服务端(第三次握手)？

    第三次握手，是对第二次握手的确认。假如不进行第三次握手，服务端发送了SYN的确认数据包之后就直接处于 ESTABLISH 状态。这个确认数据包发送过程中出错，没有发送到给客户端怎么办？所以，一定要进行第三次握手。

  • 关闭TCP连接为什么要四次握手？

    TCP连接是全双工的通信，关闭的时候需要每个方向进行单独地关闭。当一端主动请求关闭的时候，被动的一端可能还有数据没有发送完毕，不能够立即关闭，所以不能够同时回复FIN + ACK，只能够先回复ACK数据包(第二次握手)，此时属于半关闭状态。当处理完数据之后，被动关闭的一端再发送FIN包给主动关闭的一端关闭连接。

ISN

reference