詳解TCP報(bào)文的頭部結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)介

TCP是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議，在發(fā)送數(shù)據(jù)前，通信雙方必須在彼此間建立一條連接。所謂的“連接”，其實(shí)是客戶(hù)端和服務(wù)端保存的一份關(guān)于對(duì)方的信息，如ip地址、端口號(hào)等。TCP可以看成是一種字節(jié)流，它會(huì)處理IP層或以下的層的丟包、重復(fù)以及錯(cuò)誤問(wèn)題。在連接的建立過(guò)程中，雙方需要交換一些連接的參數(shù)。這些參數(shù)可以放在TCP頭部。一個(gè)TCP連接由一個(gè)4元組構(gòu)成，分別是兩個(gè)IP地址和兩個(gè)端口號(hào)。一個(gè)TCP連接通常分為三個(gè)階段：連接、數(shù)據(jù)傳輸、退出（關(guān)閉）。通過(guò)三次握手建立一個(gè)鏈接，通過(guò)四次揮手來(lái)關(guān)閉一個(gè)連接。當(dāng)一個(gè)連接被建立或被終止時(shí)，交換的報(bào)文段只包含TCP頭部，而沒(méi)有數(shù)據(jù)。

1. TCP報(bào)文的頭部結(jié)構(gòu)

在了解TCP連接之前先來(lái)了解一下TCP報(bào)文的頭部結(jié)構(gòu)。

上圖中有幾個(gè)字段需要重點(diǎn)介紹下：

（1）序號(hào)：seq序號(hào)，占32位，用來(lái)標(biāo)識(shí)從TCP源端向目的端發(fā)送的字節(jié)流，發(fā)起方發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)此進(jìn)行標(biāo)記。

（2）確認(rèn)序號(hào)：ack序號(hào)，占32位，只有ACK標(biāo)志位為1時(shí)，確認(rèn)序號(hào)字段才有效，ack=seq+1。

（3）標(biāo)志位：共6個(gè)，即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等，具體含義如下：

ACK：確認(rèn)序號(hào)有效。

FIN：釋放一個(gè)連接。

PSH：接收方應(yīng)該盡快將這個(gè)報(bào)文交給應(yīng)用層。

RST：重置連接。SYN：發(fā)起一個(gè)新連接。

URG：緊急指針（urgent pointer）有效。需要注意的是：不要將確認(rèn)序號(hào)ack與標(biāo)志位中的ACK搞混了。確認(rèn)方ack=發(fā)起方seq+1，兩端配對(duì)。

2. 三次握手

三次握手的本質(zhì)是確認(rèn)通信雙方收發(fā)數(shù)據(jù)的能力首先，我讓信使運(yùn)輸一份信件給對(duì)方，對(duì)方收到了，那么他就知道了我的發(fā)件能力和他的收件能力是可以的。于是他給我回信，我若收到了，我便知我的發(fā)件能力和他的收件能力是可以的，并且他的發(fā)件能力和我的收件能力是可以。然而此時(shí)他還不知道他的發(fā)件能力和我的收件能力到底可不可以，于是我最后回饋一次，他若收到了，他便清楚了他的發(fā)件能力和我的收件能力是可以的。這，就是三次握手。

第一次握手：客戶(hù)端要向服務(wù)端發(fā)起連接請(qǐng)求，首先客戶(hù)端隨機(jī)生成一個(gè)起始序列號(hào)ISN(比如是100)，那客戶(hù)端向服務(wù)端發(fā)送的報(bào)文段包含SYN標(biāo)志位(也就是SYN=1)，序列號(hào)seq=100。

第二次握手：服務(wù)端收到客戶(hù)端發(fā)過(guò)來(lái)的報(bào)文后，發(fā)現(xiàn)SYN=1，知道這是一個(gè)連接請(qǐng)求，于是將客戶(hù)端的起始序列號(hào)100存起來(lái)，并且隨機(jī)生成一個(gè)服務(wù)端的起始序列號(hào)(比如是300)。然后給客戶(hù)端回復(fù)一段報(bào)文，回復(fù)報(bào)文包含SYN和ACK標(biāo)志(也就是SYN=1,ACK=1)、序列號(hào)seq=300、確認(rèn)號(hào)ack=101(客戶(hù)端發(fā)過(guò)來(lái)的序列號(hào)+1)。

第三次握手：客戶(hù)端收到服務(wù)端的回復(fù)后發(fā)現(xiàn)ACK=1并且ack=101,于是知道服務(wù)端已經(jīng)收到了序列號(hào)為100的那段報(bào)文；同時(shí)發(fā)現(xiàn)SYN=1，知道了服務(wù)端同意了這次連接，于是就將服務(wù)端的序列號(hào)300給存下來(lái)。然后客戶(hù)端再回復(fù)一段報(bào)文給服務(wù)端，報(bào)文包含ACK標(biāo)志位(ACK=1)、ack=301(服務(wù)端序列號(hào)+1)、seq=101(第一次握手時(shí)發(fā)送報(bào)文是占據(jù)一個(gè)序列號(hào)的，所以這次seq就從101開(kāi)始，需要注意的是不攜帶數(shù)據(jù)的ACK報(bào)文是不占據(jù)序列號(hào)的，所以后面第一次正式發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)seq還是101)。當(dāng)服務(wù)端收到報(bào)文后發(fā)現(xiàn)ACK=1并且ack=301，就知道客戶(hù)端收到序列號(hào)為300的報(bào)文了，就這樣客戶(hù)端和服務(wù)端通過(guò)TCP建立了連接。

3. 四次揮手

四次揮手的目的是關(guān)閉一個(gè)連接

比如客戶(hù)端初始化的序列號(hào)ISA=100，服務(wù)端初始化的序列號(hào)ISA=300。TCP連接成功后客戶(hù)端總共發(fā)送了1000個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，服務(wù)端在客戶(hù)端發(fā)FIN報(bào)文前總共回復(fù)了2000個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。

第一次揮手：當(dāng)客戶(hù)端的數(shù)據(jù)都傳輸完成后，客戶(hù)端向服務(wù)端發(fā)出連接釋放報(bào)文(當(dāng)然數(shù)據(jù)沒(méi)發(fā)完時(shí)也可以發(fā)送連接釋放報(bào)文并停止發(fā)送數(shù)據(jù))，釋放連接報(bào)文包含F(xiàn)IN標(biāo)志位(FIN=1)、序列號(hào)seq=1101(100+1+1000，其中的1是建立連接時(shí)占的一個(gè)序列號(hào))。需要注意的是客戶(hù)端發(fā)出FIN報(bào)文段后只是不能發(fā)數(shù)據(jù)了，但是還可以正常收數(shù)據(jù)；另外FIN報(bào)文段即使不攜帶數(shù)據(jù)也要占據(jù)一個(gè)序列號(hào)。

第二次揮手：服務(wù)端收到客戶(hù)端發(fā)的FIN報(bào)文后給客戶(hù)端回復(fù)確認(rèn)報(bào)文，確認(rèn)報(bào)文包含ACK標(biāo)志位(ACK=1)、確認(rèn)號(hào)ack=1102(客戶(hù)端FIN報(bào)文序列號(hào)1101+1)、序列號(hào)seq=2300(300+2000)。此時(shí)服務(wù)端處于關(guān)閉等待狀態(tài)，而不是立馬給客戶(hù)端發(fā)FIN報(bào)文，這個(gè)狀態(tài)還要持續(xù)一段時(shí)間，因?yàn)榉?wù)端可能還有數(shù)據(jù)沒(méi)發(fā)完。

第三次揮手：服務(wù)端將最后數(shù)據(jù)(比如50個(gè)字節(jié))發(fā)送完畢后就向客戶(hù)端發(fā)出連接釋放報(bào)文，報(bào)文包含F(xiàn)IN和ACK標(biāo)志位(FIN=1,ACK=1)、確認(rèn)號(hào)和第二次揮手一樣ack=1102、序列號(hào)seq=2350(2300+50)。

第四次揮手：客戶(hù)端收到服務(wù)端發(fā)的FIN報(bào)文后，向服務(wù)端發(fā)出確認(rèn)報(bào)文，確認(rèn)報(bào)文包含ACK標(biāo)志位(ACK=1)、確認(rèn)號(hào)ack=2351、序列號(hào)seq=1102。注意客戶(hù)端發(fā)出確認(rèn)報(bào)文后不是立馬釋放TCP連接，而是要經(jīng)過(guò)2MSL(最長(zhǎng)報(bào)文段壽命的2倍時(shí)長(zhǎng))后才釋放TCP連接。而服務(wù)端一旦收到客戶(hù)端發(fā)出的確認(rèn)報(bào)文就會(huì)立馬釋放TCP連接，所以服務(wù)端結(jié)束TCP連接的時(shí)間要比客戶(hù)端早一些。

4. 常見(jiàn)面試題

為什么TCP連接的時(shí)候是3次？2次不可以嗎？

因?yàn)樾枰紤]連接時(shí)丟包的問(wèn)題，如果只握手2次，第二次握手時(shí)如果服務(wù)端發(fā)給客戶(hù)端的確認(rèn)報(bào)文段丟失，此時(shí)服務(wù)端已經(jīng)準(zhǔn)備好了收發(fā)數(shù)(可以理解服務(wù)端已經(jīng)連接成功)據(jù)，而客戶(hù)端一直沒(méi)收到服務(wù)端的確認(rèn)報(bào)文，所以客戶(hù)端就不知道服務(wù)端是否已經(jīng)準(zhǔn)備好了(可以理解為客戶(hù)端未連接成功)，這種情況下客戶(hù)端不會(huì)給服務(wù)端發(fā)數(shù)據(jù)，也會(huì)忽略服務(wù)端發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。如果是三次握手，即便發(fā)生丟包也不會(huì)有問(wèn)題，比如如果第三次握手客戶(hù)端發(fā)的確認(rèn)ack報(bào)文丟失，服務(wù)端在一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到確認(rèn)ack報(bào)文的話(huà)就會(huì)重新進(jìn)行第二次握手，也就是服務(wù)端會(huì)重發(fā)SYN報(bào)文段，客戶(hù)端收到重發(fā)的報(bào)文段后會(huì)再次給服務(wù)端發(fā)送確認(rèn)ack報(bào)文。

為什么TCP連接的時(shí)候是3次，關(guān)閉的時(shí)候卻是4次？

因?yàn)橹挥性诳蛻?hù)端和服務(wù)端都沒(méi)有數(shù)據(jù)要發(fā)送的時(shí)候才能斷開(kāi)TCP。而客戶(hù)端發(fā)出FIN報(bào)文時(shí)只能保證客戶(hù)端沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)了，服務(wù)端還有沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)客戶(hù)端是不知道的。而服務(wù)端收到客戶(hù)端的FIN報(bào)文后只能先回復(fù)客戶(hù)端一個(gè)確認(rèn)報(bào)文來(lái)告訴客戶(hù)端我服務(wù)端已經(jīng)收到你的FIN報(bào)文了，但我服務(wù)端還有一些數(shù)據(jù)沒(méi)發(fā)完，等這些數(shù)據(jù)發(fā)完了服務(wù)端才能給客戶(hù)端發(fā)FIN報(bào)文(所以不能一次性將確認(rèn)報(bào)文和FIN報(bào)文發(fā)給客戶(hù)端，就是這里多出來(lái)了一次)。

為什么客戶(hù)端發(fā)出第四次揮手的確認(rèn)報(bào)文后要等2MSL的時(shí)間才能釋放TCP連接？

這里同樣是要考慮丟包的問(wèn)題，如果第四次揮手的報(bào)文丟失，服務(wù)端沒(méi)收到確認(rèn)ack報(bào)文就會(huì)重發(fā)第三次揮手的報(bào)文，這樣報(bào)文一去一回最長(zhǎng)時(shí)間就是2MSL，所以需要等這么長(zhǎng)時(shí)間來(lái)確認(rèn)服務(wù)端確實(shí)已經(jīng)收到了。