詳解TCP報文的頭部結(jié)構(gòu)

簡介

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”，其實是客戶端和服務(wù)端保存的一份關(guān)于對方的信息，如ip地址、端口號等。TCP可以看成是一種字節(jié)流，它會處理IP層或以下的層的丟包、重復(fù)以及錯誤問題。在連接的建立過程中，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TCP連接由一個4元組構(gòu)成，分別是兩個IP地址和兩個端口號。一個TCP連接通常分為三個階段：連接、數(shù)據(jù)傳輸、退出（關(guān)閉）。通過三次握手建立一個鏈接，通過四次揮手來關(guān)閉一個連接。當(dāng)一個連接被建立或被終止時，交換的報文段只包含TCP頭部，而沒有數(shù)據(jù)。

1. TCP報文的頭部結(jié)構(gòu)

在了解TCP連接之前先來了解一下TCP報文的頭部結(jié)構(gòu)。

上圖中有幾個字段需要重點介紹下：

（1）序號：seq序號，占32位，用來標(biāo)識從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)時對此進行標(biāo)記。

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

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

ACK：確認(rèn)序號有效。

FIN：釋放一個連接。

PSH：接收方應(yīng)該盡快將這個報文交給應(yīng)用層。

RST：重置連接。SYN：發(fā)起一個新連接。

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。

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，我讓信使運輸一份信件給對方，對方收到了，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：客戶端要向服務(wù)端發(fā)起連接請求，首先客戶端隨機生成一個起始序列號ISN(比如是100)，那客戶端向服務(wù)端發(fā)送的報文段包含SYN標(biāo)志位(也就是SYN=1)，序列號seq=100。

第二次握手：服務(wù)端收到客戶端發(fā)過來的報文后，發(fā)現(xiàn)SYN=1，知道這是一個連接請求，于是將客戶端的起始序列號100存起來，并且隨機生成一個服務(wù)端的起始序列號(比如是300)。然后給客戶端回復(fù)一段報文，回復(fù)報文包含SYN和ACK標(biāo)志(也就是SYN=1,ACK=1)、序列號seq=300、確認(rèn)號ack=101(客戶端發(fā)過來的序列號+1)。

第三次握手：客戶端收到服務(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)收到了序列號為100的那段報文；同時發(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300給存下來。然后客戶端再回復(fù)一段報文給服務(wù)端，報文包含ACK標(biāo)志位(ACK=1)、ack=301(服務(wù)端序列號+1)、seq=101(第一次握手時發(fā)送報文是占據(jù)一個序列號的，所以這次seq就從101開始，需要注意的是不攜帶數(shù)據(jù)的ACK報文是不占據(jù)序列號的，所以后面第一次正式發(fā)送數(shù)據(jù)時seq還是101)。當(dāng)服務(wù)端收到報文后發(fā)現(xiàn)ACK=1并且ack=301，就知道客戶端收到序列號為300的報文了，就這樣客戶端和服務(wù)端通過TCP建立了連接。

3. 四次揮手

四次揮手的目的是關(guān)閉一個連接

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

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

第二次揮手：服務(wù)端收到客戶端發(fā)的FIN報文后給客戶端回復(fù)確認(rèn)報文，確認(rèn)報文包含ACK標(biāo)志位(ACK=1)、確認(rèn)號ack=1102(客戶端FIN報文序列號1101+1)、序列號seq=2300(300+2000)。此時服務(wù)端處于關(guān)閉等待狀態(tài)，而不是立馬給客戶端發(fā)FIN報文，這個狀態(tài)還要持續(xù)一段時間，因為服務(wù)端可能還有數(shù)據(jù)沒發(fā)完。

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

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

4. 常見面試題

為什么TCP連接的時候是3次？2次不可以嗎？

因為需要考慮連接時丟包的問題，如果只握手2次，第二次握手時如果服務(wù)端發(fā)給客戶端的確認(rèn)報文段丟失，此時服務(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)，而客戶端一直沒收到服務(wù)端的確認(rèn)報文，所以客戶端就不知道服務(wù)端是否已經(jīng)準(zhǔn)備好了(可以理解為客戶端未連接成功)，這種情況下客戶端不會給服務(wù)端發(fā)數(shù)據(jù)，也會忽略服務(wù)端發(fā)過來的數(shù)據(jù)。如果是三次握手，即便發(fā)生丟包也不會有問題，比如如果第三次握手客戶端發(fā)的確認(rèn)ack報文丟失，服務(wù)端在一段時間內(nèi)沒有收到確認(rèn)ack報文的話就會重新進行第二次握手，也就是服務(wù)端會重發(fā)SYN報文段，客戶端收到重發(fā)的報文段后會再次給服務(wù)端發(fā)送確認(rèn)ack報文。

為什么TCP連接的時候是3次，關(guān)閉的時候卻是4次？

因為只有在客戶端和服務(wù)端都沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送的時候才能斷開TCP。而客戶端發(fā)出FIN報文時只能保證客戶端沒有數(shù)據(jù)發(fā)了，服務(wù)端還有沒有數(shù)據(jù)發(fā)客戶端是不知道的。而服務(wù)端收到客戶端的FIN報文后只能先回復(fù)客戶端一個確認(rèn)報文來告訴客戶端我服務(wù)端已經(jīng)收到你的FIN報文了，但我服務(wù)端還有一些數(shù)據(jù)沒發(fā)完，等這些數(shù)據(jù)發(fā)完了服務(wù)端才能給客戶端發(fā)FIN報文(所以不能一次性將確認(rèn)報文和FIN報文發(fā)給客戶端，就是這里多出來了一次)。

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

這里同樣是要考慮丟包的問題，如果第四次揮手的報文丟失，服務(wù)端沒收到確認(rèn)ack報文就會重發(fā)第三次揮手的報文，這樣報文一去一回最長時間就是2MSL，所以需要等這么長時間來確認(rèn)服務(wù)端確實已經(jīng)收到了。