本帖最后由 KIKIRO 于 2022-9-23 15:15 编辑
TCP协议的报文格式 在TCP/IP协议栈中，IP协议层只关心如何使数据能够跨越本地网络边界的问题，而不关心数据如何传输。整体TCP/IP协议栈，共同配合一起解决数据如何通过许许多多个点对点通路，顺利传输到达目的地。一个点对点通路被称为一“跳”（hop），通过TCP/IP协议栈，网络成员能够在许多“跳”的基础上建立相互的数据通路。
传输层TCP协议提供了一种面向连接的、可靠的字节流服务，其数据帧格式，大致如下图所示： file:///C:/Users/23530/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.png
图：传输层TCP协议的数据帧格式
一个传输层TCP协议的数据帧，大致包含以下字段：
（一）源端口号 源端口号表示报文的发送端口，占16位。源端口和源IP地址组合起来，可以标识报文的发送地址。
（二）目的端口号 目的端口号表示报文的接收端口，占16位。目的端口和目的IP地址相结合，可以标识报文的接收地址。
TCP协议是基于IP协议的基础上传输的，TCP报文中的源端口号+源IP，与TCP报文中的目的端口号+目的IP一起，组合起来唯一性的确定一条TCP连接。
（三）序号（Sequence Number） TCP传输过程中，在发送端出的字节流中，传输报文中的数据部分的每一个字节都有它的编号。序号（Sequence Number）占32位，发起方发送数据时，都需要标记序号。
序号（Sequence Number）的语义与SYN控制标志（Control Bits）的值有关。根据控制标志（ControlBits）中的SYN是否为1，序号（Sequence Number）表达不同的含义：
（1）当SYN = 1时，当前为连接建立阶段，此时的序号为初始序号ISN((Initial Sequence Number)，通过算法来随机生成序号；
（2）当SYN = 0时在数据传输正式开始时，第一个报文的序号为 ISN + 1，后面的报文的序号，为前一个报文的SN值+TCP报文的净荷字节数(不包含TCP头)。比如，如果发送端发送的一个TCP帧的净荷为12byte，序号为5，则发送端接着发送的下一个数据包的时候，序号的值应该设置为5+12=17。
在数据传输过程中，TCP协议通过序号（Sequence Number）对上层提供有序的数据流。发送端可以用序号来跟踪发送的数据量；接收端可以用序号识别出重复接收到的TCP包，从而丢弃重复包；对于乱序的数据包，接收端也可以依靠序号对其进行排序。
（四）确认序号（Acknowledgment Number） 确认序号（Acknowledgment Number）标识了报文接收端期望接收的字节序列。如果设置了ACK控制位，确认序号的值表示一个准备接收的包的序列码，注意，它所指向的是准备接收的包，也就是下一个期望接收的包的序列码。
举个例子，假设发送端（如Client）发送3个净荷为1000byte、起始SN序号为1的数据包给Server服务端，Server每收到一个包之后，需要回复一个ACK响应确认数据包给Client。ACK响应数据包的ACK Number值，为每个Client包的为SN+包净荷，既表示Server已经确认收到的字节数，还表示期望接收到的下一个Client发送包的SN序号，具体的ACK值如下图左边的正常传输部分所示。 file:///C:/Users/23530/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.png
图：传输过程的确认序号（Acknowledgment Number）值示例图
在上图的左边部分，Server第1个ACK包的ACK Number值为1001，是通过Client第1个包的SN+包净荷=1+1000计算得到，表示期望第2个Client包的SN序号为1001；Server第2个ACK包的ACK Number值为2001，为Client第2个包的SN+包净荷=2001，表示期望第3个Server包的SN为2001，以此类推。
如果发生错误，假设Server在处理Client的第二个发送包异常，Server仍然回复一个ACK Number值为1001的确认包，则Client的第二个数据包需要重复发送，具体的ACK值如上图右边的正常传输部分所示。
只有控制标志的ACK标志为1时，数据帧中的确认序号ACK Number才有效。TCP协议规定，连接建立后，所有发送的报文的ACK必须为1，也就是建立连接后，所有报文的确认序号有效。如果是SYN类型的报文，其ACK标志为0，故没有确认序号。
（五）头部长度 该字段占用4位，用来表示TCP报文首部的长度，单位是4bit位。其值所表示的并不是字节数，而是头部的所含有的32bit的数目（或者倍数），或者4个字节的倍数，所以TCP头部最多可以有60字节（4*15=60）。没有任何选项字段的TCP头部长度为20字节，所以其头部长度为5，可以通过20/4=5计算得到。
（六）预留6位 头部长度后面预留的字段长度为6位，作为保留字段，暂时没有什么用处。
（七）控制标志 控制标志（ControlBits）共6个bit位，具体的标志位为：URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN。6个标志位的说明，如下表所示。 file:///C:/Users/23530/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.png 表：TCP报文控制标志（ControlBits）说明
标志位 说明 URG 占1位，表示紧急指针字段有效。URG位指示报文段里的上层实体（数据）标记为“紧急”数据。当URG=1时，其后的紧急指针指示紧急数据在当前数据段中的位置(相对于当前序列号的字节偏移量)，TCP接收方必须通知上层实体。 ACK 占1位，置位ACK=1表示确认号字段有效；TCP协议规定，接建立后所有发送的报文的ACK必须为1；当ACK=0时，表示该数据段不包含确认信息。当ACK=1时，表示该报文段包括一个对已被成功接收报文段的确认序号AcknowledgmentNumber，该序号同时也是下一个报文的预期序号。 PSH 占1位，表示当前报文需要请求推（push）操作；当PSH=1时，接收方在收到数据后立即将数据交给上层，而不是直到整个缓冲区满。 RST 占1位，置位RST=1表示复位TCP连接；用于重置一个已经混乱的连接，也可用于拒绝一个无效的数据段或者拒绝一个连接请求。如果数据段被设置了RST位，说明报文发送方有问题发生。 SYN 占1位，在连接建立时用来同步序号。当SYN=1而ACK=0时，表明这是一个连接请求报文。对方若同意建立连接，则应在响应报文中使SYN=1和ACK=1。 综合一下，SYN置1就表示这是一个连接请求或连接接受报文。 FIN 占1位，用于在释放TCP连接时，标识发送方比特流结束，用来释放一个连接。当 FIN = 1时，表明此报文的发送方的数据已经发送完毕，并要求释放连接。 在连接建立的三次握手过程中，若只是单个SYN置位，表示的只是建立连接请求。如果SYN和ACK同时置位为1，表示的建立连接之后的响应。
（八）窗口大小： 长度为16位，共2个字节。此字段用来进行流量控制。流量控制的单位为字节数，这个值是本端期望一次接收的字节数。
（九）校验和： 长度为16位，共2个字节。对整个TCP报文段，即TCP头部和TCP数据进行校验和计算，接收端用于对收到的数据包进行验证。
（十）紧急指针： 长度为16位，2个字节。它是一个偏移量，和SN序号值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。
以上十项内容是TCP报文首部必须的字段，也称固有字段，长度为20个字节。接下来是TCP报文的可选项和填充部分。
（十一）可选项和填充部分 可选项和填充部分的长度为4n字节（n是整数），该部分是根据需要而增加的选项。如果不足4n字节，要加填充位，使得选项长度为32位（4字节）的整数倍，具体的做法是在这个字段中加入额外的零，以确保TCP头是32位（4字节）的整数倍。
最常见的选项字段是MSS（MaximumSegment Size最长报文大小），每个连接方通常都在通信的第一个报文段（SYN标志为1的那个段）中指明这个选项字段，表示当前连接方所能接受的最大报文段的长度。
由于可选项和填充部分不是必须的，所以TCP报文首部最小长度为20个字节。
至此，TCP报文首部的字段，就全部介绍完了。TCP报文首部的后面，接着的是数据部分，不过数据部分是可选的。在一个连接建立和一个连接终止时，双方交换的报文段仅有TCP首部。如果一方没有数据要发送，也使用没有任何数据的首部来确认收到的数据，比如在处理超时的过程中，也会发送不带任何数据的报文段。
总体来说，TCP协议的可靠性，主要通过以下几点来保障：
（1）应用数据分割成TCP认为最适合发送的数据块。这部分是通过MSS（最大数据包长度）选项来控制的，通常这种机制也被称为一种协商机制，MSS规定了TCP传往另一端的最大数据块的长度。值得注意的是，MSS只能出现在SYN报文段中，若一方不接收来自另一方的MSS值，则MSS就定为536字节。一般来讲，MSS值还是越大越好，这样可以提高网络的利用率。
（2）重传机制。设置定时器，等待确认包，如果定时器超时还没有收到确认包，则报文重传。
（3）对首部和数据进行校验。
（4）接收端对收到的数据进行排序，然后交给应用层。
（5）接收端丢弃重复的数据。
（6）TCP还提供流量控制，主要是通过滑动窗口来实现流量控制。
至此TCP协议的数据帧格式介绍完了。接下来开始为大家重点介绍：TCP传输层的三次握手建立连接，四次挥手释放连接。
TCP的三次握手 TCP连接的建立时，双方需要经过三次握手，而断开连接时，双方需要经过四次分手，那么，其三次握手和四次分手分别做了什么呢？又是如何进行的呢？
通常情况下，建立连接的双方，由一端打开一个监听套接字（ServerSocket）来监听来自请求方的TCP（Socket）连接，当服务器端监听开始时，必须做好准备接受外来的连接，在Java中该操作通过创建一个ServerSocket服务监听套接字实例来完成，此操作会调用底层操作系统（如Linux）的C代码中三个函数socket()、bind()、listen() 来完成。开始监听之后，服务器端就做好接受外来连接的准备，如果监听到建立新连接的请求，会开启一个传输套接字，称之为被动打开（Passive Open）。
一段简单的服务端监听新连接请求，并且被动打开（Passive Open）传输套接字的Java示例代码，具体如下：
file:///C:/Users/23530/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.png 客户端在发起连接建立时，Java代码通过创建Socket实例，调用底层的connect(…)方法，主动打开(Active Open)Socket连接。套接字监听方在收到请求之后，监听方和发起方（客户端）之间就会建立一条的连接通道，该通道由双方IP和双方端口所唯一确定。
一段简单的客户端连接主动打开(Active Open)的Java示例代码，具体如下：
file:///C:/Users/23530/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.png 三次握手过程 TCP连接的建立时，双方需要经过三次握手，具体过程如下：
（1）第一次握手：Client进入SYN_SENT状态，发送一个SYN帧来主动打开传输通道，该帧的SYN标志位被设置为1，同时会带上Client分配好的SN序列号，该SN是根据时间产生的一个随机值，通常情况下每间隔4ms会加1。除此之外，SYN帧还会带一个MSS（最大报文段长度）可选项的值，表示客户端发送出去的最大数据块的长度。
（2）第二次握手：Server端在收到SYN帧之后，会进入SYN_RCVD状态，同时返回SYN+ACK帧给Client，主要目的在于通知Client，Server端已经收到SYN消息，现在需要进行确认。Server端发出的SYN+ACK帧的ACK标志位被设置为1，其确认序号AN（Acknowledgment Number）值被设置为Client的SN+1；SYN+ACK帧的SYN标志位被设置为1，SN值为Server端生成的SN序号；SYN+ACK帧的MSS（最大报文段长度）表示的是Server端的最大数据块长度。
（3）第三次握手：Client在收到Server的第二次握手SYN+ACK确认帧之后，首先将自己的状态会从SYN_SENT变成ESTABLISHED，表示自己方向的连接通道已经建立成功，Client可以发送数据给Server端了。然后，Client发ACK帧给Server端，该ACK帧的ACK标志位被设置为1，其确认序号AN（Acknowledgment Number）值被设置为Server端的SN序列号+1。还有一种情况，Client可能会将ACK帧和第一帧要发送的数据，合并到一起发送给Server端。
（4）Server端在收到Client的ACK帧之后，会从SYN_RCVD状态会进入ESTABLISHED状态，至此，Server方向的通道连接建立成功，Server可以发送数据给Client，TCP的全双工连接建立完成。
三次握手的图解 三次握手的交互过程，具体如下图所示： file:///C:/Users/23530/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image012.png
图：TCP建立的连接时三次握手示意图
Client和Server完成了三次握手后，双方就进入了数据传输的阶段。数据传输完成后，连接将断开，连接断开的过程需要经历四次挥手。
TCP的四次挥手 业务数据通信完成之后，TCP连接开始断开（或者拆接）的过程，在这个过程中连接的每个端的都能独立地、主动的发起，断开的过程TCP协议使用了四路挥手操作。
四次挥手具体过程 四次挥手具体过程，具体如下：
（1）第一次挥手：主动断开方（可以是客户端，也可以是服务器端），向对方发送一个FIN结束请求报文，此报文的FIN位被设置为1，并且正确设置Sequence Number（序列号）和Acknowledgment Number（确认号）。发送完成后，主动断开方进入FIN_WAIT_1状态，这表示主动断开方没有业务数据要发送给对方，准备关闭SOCKET连接了。
（2）第二次挥手：正常情况下，在收到了主动断开方发送的FIN断开请求报文后，被动断开方会发送一个ACK响应报文，报文的Acknowledgment Number（确认号）值为断开请求报文的Sequence Number （序列号）加1，该ACK确认报文的含义是：“我同意你的连接断开请求”。之后，被动断开方就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态，TCP协议服务会通知高层的应用进程，对方向本地方向的连接已经关闭，对方已经没有数据要发送了，若本地还要发送数据给对方，对方依然会接受。被动断开方的CLOSE-WAIT（关闭等待）还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
主动断开方在收到了ACK报文后，由FIN_WAIT_1转换成FIN_WAIT_2状态。
（3）第三次挥手：在发送完成ACK报文后，被动断开方还可以继续完成业务数据的发送，待剩余数据发送完成后，或者CLOSE-WAIT（关闭等待）截止后，被动断开方会向主动断开方发送一个FIN+ACK结束响应报文，表示被动断开方的数据都发送完了，然后，被动断开方进入LAST_ACK状态。
（4）第四次挥手：主动断开方收在到FIN+ACK断开响应报文后，还需要进行最后的确认，向被动断开方发送一个ACK确认报文，然后，自己就进入TIME_WAIT状态，等待超时后最终关闭连接。处于TIME_WAIT状态的主动断开方，在等待完成2MSL的时间后，如果期间没有收到其他报文，则证明对方已正常关闭，主动断开方的连接最终关闭。
被动断开方在收到主动断开方的最后的ACK报文以后，最终关闭了连接，自己啥也不管了。
四次挥手图解 四次挥手的全部交互过程，具体如下图所示： file:///C:/Users/23530/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image014.png
图：TCP建立的连接时四次挥手的示意图
处于TIME_WAIT状态的主动断开方，在等待完成2MSL的时间后，才真正关闭连接通道，其等待的时间为什么是2MSL呢？
2MSL翻译过来就是两倍的MSL。MSL全称为Maximum Segment Lifetime，指的是一个TCP报文片段在网络中最大的存活时间，具体来说，2MSL对应于一次消息的来回（一个发送和一个回复）所需的最大时间。如果直到2MSL，主动断开方都没有再一次收到对方的报文（如FIN报文），则可以推断ACK已经被对方成功接收，此时，主动断开方将最终结束自己的TCP连接。所以，TCP的TIME_WAIT状态也称为2MSL等待状态。
有关MSL的具体的时间长度，在RFC1122协议中推荐为2分钟。在SICS（瑞典计算机科学院）开发的一个小型开源的TCP/IP协议栈——LwIP开源协议栈中MSL默认为1分钟。在源自Berkeley的TCP协议栈实现中MSL默认长度为30秒。总体来说，TIME_WAIT（2MSL）等待状态的时间长度，一般维持在1-4分钟之间。
通过三次握手建立连接和四次挥手拆除连接，一次TCP的连接建立及拆除，至少进行7次通信，可见其成本是很高的。 ———————————————— 版权声明：本文为CSDN博主「架构师-尼恩」的原创文章，遵循CC 4.0 BY-SA版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。 | 
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发表于 2022-9-28 15:46
