搞懂 TCP¶

理解 TCP三次握手、四次挥手过程及原理

TCP 协议简述¶

TCP 提供面向有连接的通信传输，面向有连接是指在传送数据之前必须先建立连接，数据传送完成后要释放连接。

无论哪一方向另一方发送数据之前，都必须先在双方之间建立一条连接。在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接服务，连接是通过三次握手进行初始化的。同时由于TCP协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的运输层通信协议，TCP是全双工模式，所以需要四次挥手关闭连接。

TCP包首部¶

网络中传输的数据包由两部分组成：一部分是协议所要用到的首部，另一部分是上一层传过来的数据。首部的结构由协议的具体规范详细定义。在数据包的首部，明确标明了协议应该如何读取数据。反过来说，看到首部，也就能够了解该协议必要的信息以及所要处理的数据。包首部就像协议的脸。

所以我们在学习TCP协议之前，首先要知道TCP在网络传输中处于哪个位置，以及它的协议的规范，下面我们就看看TCP首部的网络传输起到的作用：

下面的图是TCP头部的规范定义，它定义了TCP协议如何读取和解析数据：

TCP首部承载这TCP协议需要的各项信息，下面我们来分析一下：

TCP端口号¶

TCP的连接是需`要四个要素确定唯一一个连接：（源IP，源端口号）+ （目地IP，目的端口号）
所以TCP首部` 预留了两个16位作为端口号的存储，而IP地址由上一层IP协议负责传递源端口号和目地端口各占16位两个字节，也就是端口的范围是2^16=65535另外1024以下是系统保留的，从1024-65535是用户使用的端口范围

TCP的序号和确认号：¶

32位序号 seq：Sequence number 缩写seq ，TCP通信过程中某一个传输方向上的字节流的每个字节的序号，通过这个来确认发送的数据有序，比如现在序列号为1000，发送了1000，下一个序列号就是2000。
32位确认号 ack：Acknowledge number 缩写ack，TCP对上一次seq序号做出的确认号，用来响应TCP报文段，给收到的TCP报文段的序号seq加1。

TCP的标志位¶

每个TCP段都有一个目的，这是借助于TCP标志位选项来确定的，允许发送方或接收方指定哪些标志应该被使用，以便段被另一端正确处理。用的最广泛的标志是 SYN，ACK 和 FIN，用于建立连接，确认成功的段传输，最后终止连接。

SYN：简写为S，同步标志位，用于建立会话连接，同步序列号；
ACK：简写为.，确认标志位，对已接收的数据包进行确认；
FIN：简写为F，完成标志位，表示我已经没有数据要发送了，即将关闭连接；
PSH：简写为P，推送标志位，表示该数据包被对方接收后应立即交给上层应用，而不在缓冲区排队；
RST：简写为R，重置标志位，用于连接复位、拒绝错误和非法的数据包；
URG：简写为U，紧急标志位，表示数据包的紧急指针域有效，用来保证连接不被阻断，并督促中间设备尽快处理；

三次握手¶

所谓三次握手(Three-way Handshake)，是指建立一个 TCP 连接时，需要客户端和服务器总共发送3个报文。

三次握手的目的是连接服务器指定端口，建立 TCP 连接，并同步连接双方的序列号和确认号，交换 TCP 窗口大小信息。在 socket 编程中，客户端执行 connect() 时。将触发三次握手。

三次握手过程的示意图如下：

报文分析¶

第一次握手：

客户端将TCP报文标志位SYN置为1，随机产生一个序号值seq=J，保存在TCP首部的序列号(Sequence Number) 字段里，指明客户端打算连接的服务器的端口，并将该数据包发送给服务器端，发送完毕后，客户端进入SYN_SENT状态，等待服务器端确认。

No.     Time        Source      Destination Protocol    Length      Info                                                              
1486    36.928643   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         56          59117 → 9010 [SYN] Seq=0 Win=65535 Len=0 MSS=65495 WS=256 SACK_PERM              > 分析: 第一次握手

第二次握手：

服务器端收到数据包后由标志位SYN=1知道客户端请求建立连接，服务器端将TCP报文标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1 ，随机产生一个序号值seq=K，并将该数据包发送给客户端以确认连接请求，服务器端进入SYN_RCVD状态。

No.     Time        Source      Destination Protocol    Length      Info
1487    36.928672   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         56          9010 → 59117 [SYN, ACK] Seq=0 Ack=1 Win=65535 Len=0 MSS=65495 WS=256 SACK_PERM   > 分析: 第二次握手

第三次握手：

客户端收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1 ，并将该数据包发送给服务器端，服务器端检查ack是否为K+1，ACK是否为1 ，如果正确则连接建立成功，客户端和服务器端进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后客户端与服务器端之间可以开始传输数据了。

No.     Time        Source      Destination Protocol    Length      Info
1488    36.928696   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          59117 → 9010 [ACK] Seq=1 Ack=1 Win=2161152 Len=0                                 > 分析: 第三次握手

建立连接后，客户端发送http请求

No.     Time        Source      Destination Protocol    Length      Info
1489    36.928893   127.0.0.1   127.0.0.1   HTTP        639         GET /gc/ws/stomp HTTP/1.1                                                        > 分析: 建立连接后，客户端发送http请求

为什么需要三次握手？¶

- 我们假设client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某个网络结点长时间的滞留了，以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。本来这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。于是就向client发出确认报文段，同意建立连接。

- 假设不采用“三次握手”，那么只要server发出确认，新的连接就建立了。由于现在client并没有发出建立连接的请求，因此不会理睬server的确认，也不会向server发送数据。但server却以为新的运输连接已经建立，并一直等待client发来数据。这样，server的很多资源就白白浪费掉了。

所以，采用“三次握手”的办法可以防止上述现象发生。例如刚才那种情况，client不会向server的确认发出确认。server由于收不到确认，就知道client并没有要求建立连接。
TCP 三次握手跟现实生活中的人与人打电话是很类似的：

三次握手： “喂，你听得到吗？” “我听得到呀，你听得到我吗？” “我能听到你，今天 balabala……“

经过三次的互相确认，大家就会认为对方对听的到自己说话，并且愿意下一步沟通，否则，对话就不一定能正常下去了。

TCP 四次挥手关闭连接¶

四次挥手即终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。在socket编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发。由于TCP连接是全双工的，因此，每个方向都必须要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭。

四次挥手过程的示意图如下：

第一次挥手：

Client端发起挥手请求，向Server端发送标志位是FIN报文段，设置序列号seq，此时，Client端进入FIN_WAIT_1状态，这表示Client端没有数据要发送给Server端了。

No.     Time        Source      Destination Protocol    Length      Info             
2918    86.717613   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          9010 → 59117 [FIN, ACK] Seq=1226 Ack=1414 Win=2159872 Len=0                      > 分析: 第一次挥手

第二次分手：

Server端收到了Client端发送的FIN报文段，向Client端返回一个标志位是ACK的报文段，ack设为seq加1，Client端进入FIN_WAIT_2状态，Server端告诉Client端，我确认并同意你的关闭请求。

No.     Time        Source      Destination Protocol    Length      Info             
2919    86.717626   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          59117 → 9010 [ACK] Seq=1414 Ack=1227 Win=2159872 Len=0                           > 分析: 第二次分手

第三次分手：

Server端向Client端发送标志位是FIN的报文段，请求关闭连接，同时Client端进入LAST_ACK状态。

No.     Time        Source      Destination Protocol    Length      Info             
2920    86.717668   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          59117 → 9010 [FIN, ACK] Seq=1414 Ack=1227 Win=2159872 Len=0                      > 分析: 第三次分手

第四次分手：

Client端收到Server端发送的FIN报文段，向Server端发送标志位是ACK的报文段，然后Client端进入TIME_WAIT状态。Server端收到Client端的ACK报文段以后，就关闭连接。此时，Client端等待2MSL的时间后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那好，Client端也可以关闭连接了。

No.     Time        Source      Destination Protocol    Length      Info             
2921    86.717681   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          9010 → 59117 [ACK] Seq=1227 Ack=1415 Win=2159872 Len=0                           > 分析: 第四次分手

附件报文¶

No.     Time        Source      Destination Protocol    Length      Info                                                                               分析
1486    36.928643   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         56          59117 → 9010 [SYN] Seq=0 Win=65535 Len=0 MSS=65495 WS=256 SACK_PERM              > 分析: 第一次握手
1487    36.928672   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         56          9010 → 59117 [SYN, ACK] Seq=0 Ack=1 Win=65535 Len=0 MSS=65495 WS=256 SACK_PERM   > 分析: 第二次握手
1488    36.928696   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          59117 → 9010 [ACK] Seq=1 Ack=1 Win=2161152 Len=0                                 > 分析: 第三次握手
1489    36.928893   127.0.0.1   127.0.0.1   HTTP        639         GET /gc/ws/stomp HTTP/1.1                                                        > 分析: 建立连接后，客户端发送http请求
1614    39.619573   127.0.0.1   127.0.0.1   WebSocket   116         WebSocket Text [FIN] [MASKED]                                                    >
1615    39.619604   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          9010 → 59117 [ACK] Seq=624 Ack=1079 Win=2160128 Len=0                            >
1701    42.662700   127.0.0.1   127.0.0.1   WebSocket   68          WebSocket Text [FIN] [MASKED]                                                    >
1702    42.662736   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          9010 → 59117 [ACK] Seq=624 Ack=1103 Win=2160128 Len=0                            >
1760    46.937469   127.0.0.1   127.0.0.1   WebSocket   53          WebSocket Text [FIN] [MASKED]                                                    >
1761    46.937544   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          9010 → 59117 [ACK] Seq=624 Ack=1112 Win=2160128 Len=0                            >
1880    52.452378   127.0.0.1   127.0.0.1   WebSocket   217         WebSocket Text [FIN] [MASKED]                                                    >
1881    52.452407   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          9010 → 59117 [ACK] Seq=624 Ack=1285 Win=2159872 Len=0                            >
1908    52.637561   127.0.0.1   127.0.0.1   WebSocket   49          WebSocket Text [FIN]                                                             >
1909    52.637639   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          59117 → 9010 [ACK] Seq=1285 Ack=629 Win=2160640 Len=0                            >
1996    56.941952   127.0.0.1   127.0.0.1   WebSocket   53          WebSocket Text [FIN] [MASKED]                                                    >
1997    56.942029   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          9010 → 59117 [ACK] Seq=629 Ack=1294 Win=2159872 Len=0                            >
2219    62.644045   127.0.0.1   127.0.0.1   WebSocket   49          WebSocket Text [FIN]                                                             >
2220    62.644104   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          59117 → 9010 [ACK] Seq=1294 Ack=634 Win=2160640 Len=0                            >
2357    66.464140   127.0.0.1   127.0.0.1   WebSocket   58          WebSocket Text [FIN] [MASKED]                                                    >
2358    66.464166   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          9010 → 59117 [ACK] Seq=634 Ack=1308 Win=2159872 Len=0                            >
2381    66.942044   127.0.0.1   127.0.0.1   WebSocket   53          WebSocket Text [FIN] [MASKED]                                                    >
2382    66.942123   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          9010 → 59117 [ACK] Seq=634 Ack=1317 Win=2159872 Len=0                            >
2446    69.212869   127.0.0.1   127.0.0.1   WebSocket   94          WebSocket Text [FIN] [MASKED]                                                    >
2447    69.212900   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          9010 → 59117 [ACK] Seq=634 Ack=1367 Win=2159872 Len=0                            >
2532    72.659134   127.0.0.1   127.0.0.1   WebSocket   49          WebSocket Text [FIN]                                                             >
2533    72.659151   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          59117 → 9010 [ACK] Seq=1367 Ack=639 Win=2160640 Len=0                            >
2628    76.951055   127.0.0.1   127.0.0.1   WebSocket   53          WebSocket Text [FIN] [MASKED]                                                    >
2629    76.951076   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          9010 → 59117 [ACK] Seq=639 Ack=1376 Win=2159872 Len=0                            >
2798    82.468524   127.0.0.1   127.0.0.1   WebSocket   572         WebSocket Text [FIN]                                                             >
2799    82.468544   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          59117 → 9010 [ACK] Seq=1376 Ack=1167 Win=2160128 Len=0                           >
2800    82.468620   127.0.0.1   127.0.0.1   WebSocket   68          WebSocket Text [FIN]                                                             >
2801    82.468626   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          59117 → 9010 [ACK] Seq=1376 Ack=1191 Win=2160128 Len=0                           >
2906    86.713346   127.0.0.1   127.0.0.1   WebSocket   76          WebSocket Text [FIN] [MASKED]                                                    >
2907    86.713378   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          9010 → 59117 [ACK] Seq=1191 Ack=1408 Win=2159872 Len=0                           >
2912    86.714785   127.0.0.1   127.0.0.1   WebSocket   75          WebSocket Text [FIN]                                                             >
2913    86.714830   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          59117 → 9010 [ACK] Seq=1408 Ack=1222 Win=2159872 Len=0                           >
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2917    86.717309   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          59117 → 9010 [ACK] Seq=1414 Ack=1226 Win=2159872 Len=0                           >
2918    86.717613   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          9010 → 59117 [FIN, ACK] Seq=1226 Ack=1414 Win=2159872 Len=0                      > 分析: 第一次挥手
2919    86.717626   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          59117 → 9010 [ACK] Seq=1414 Ack=1227 Win=2159872 Len=0                           > 分析: 第二次分手
2920    86.717668   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          59117 → 9010 [FIN, ACK] Seq=1414 Ack=1227 Win=2159872 Len=0                      > 分析: 第三次分手
2921    86.717681   127.0.0.1   127.0.0.1   TCP         44          9010 → 59117 [ACK] Seq=1227 Ack=1415 Win=2159872 Len=0                           > 分析: 第四次分手