TCP/IP之TCP协议首部、三次握手、四次挥手、FSM

TCP包头

<--------------------------------32 位------------------------------>

0                8                16               24               32
|----------------|----------------|----------------|----------------|  -----
|            Source port          |         Destination port        |    |
|-------------------------------------------------------------------|    |
|                               序 号                                |
|-------------------------------------------------------------------|   20字节
|                              确 认 号                              |   固 定
|-------------------------------------------------------------------|   首 部
|        |           | U A P R S F|                                 |    
|数据偏移 |  保 留    | R C S S Y I|               窗口               |
|        |           | G K H T N N|                                 |    |
|-------------------------------------------------------------------|    |
|              校 验 和            |             紧急指针             |    
|-------------------------------------------------------------------|   -----
|              选 项 （长 度 可 变）                 |      填充      |
---------------------------------------------------------------------

TCP包头

• 源端口、目标端口 ：计算机上的进程要和其他进程通信是要通过计算机端口的，而一个计算机端口某个时刻只能被一个进程占用，所以通过指定源端口和目标端口，就可以知道是哪两个进程需要通信。源端口、目标端口是用16位表示的，可推算计算机的端口个数为2^16个。

• 序列号 ：表示本报文段所发送数据的第一个字节的编号。在TCP连接中所传送的字节流的每一个字节都会按顺序编号。由于序列号由32位表示，所以每2^32个字节，就会出现序列号回绕，再次从 0 开始。

• 确认号 ：表示接收方期望收到发送方下一个报文段的第一个字节数据的编号。也就是告诉发送方：我希望你（指发送方）下次发送的数据的第一个字节数据的编号为此确认号。

• 数据偏移 ：表示TCP报文段的首部长度，共4位，由于TCP首部包含一个长度可变的选项部分，需要指定这个TCP报文段到底有多长。它指出 TCP 报文段的数
  据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远。该字段的单位是32位(即4个字节为计算单位），4位二进制最大表示15，所以数据偏移也就是TCP首部最大60字节。

• URG ：表示本报文段中发送的数据是否包含紧急数据。后面的紧急指针字段（urgent pointer）只有当URG=1时才有效。

• ACK ：表示是否前面确认号字段是否有效。只有当ACK=1时，前面的确认号字段才有效。TCP规定，连接建立后，ACK必须为1，带ACK标志的TCP报文段称为确认报文段。

• PSH ：提示接收端应用程序应该立即从TCP接收缓冲区中读走数据，为接收后续数据腾出空间。如果为1，则表示对方应当立即把数据提交给上层应用，而不是缓存起来，如果应用程序不将接收到的数据读走，就会一直停留在TCP接收缓冲区中。

• RST ：如果收到一个RST=1的报文，说明与主机的连接出现了严重错误（如主机崩溃），必须释放连接，然后再重新建立连接。或者说明上次发送给主机的数据有问题，主机拒绝响应，带RST标志的TCP报文段称为复位报文段。

• SYN ：在建立连接时使用，用来同步序号。当SYN=1，ACK=0时，表示这是一个请求建立连接的报文段；当SYN=1，ACK=1时，表示对方同意建立连接。SYN=1，说明这是一个请求建立连接或同意建立连接的报文。只有在前两次握手中SYN才置为1，带SYN标志的TCP报文段称为同步报文段。

• FIN ：表示通知对方本端要关闭连接了，标记数据是否发送完毕。如果FIN=1，即告诉对方：“我的数据已经发送完毕，你可以释放连接了”，带FIN标志的TCP报文段称为结束报文段。

• 窗口大小 ：表示现在允许对方发送的数据量，也就是告诉对方，从本报文段的确认号开始允许对方发送的数据量，达到此值，需要ACK确认后才能再继续传送后面数据，由Window size value * Window size scaling factor（此值在三次握手阶段TCP选项Window scale协商得到）得出此值。

• 校验和 ：提供额外的可靠性。

• 紧急指针 ：标记紧急数据在数据字段中的位置。

• 选项部分 ：其最大长度可根据TCP首部长度进行推算。TCP首部长度用4位表示，选项部分最长为：(2^4-1)*4-20=40字节。

  常见选项：

  • 最大报文段长度：Maxium Segment Size，MSS，通常1460字节

  • 窗口扩大：Window Scale

  • 时间戳： Timestamps

  • 1 最大报文段长度MSS（Maximum Segment Size）
    指明自己期望对方发送TCP报文段时那个数据字段的长度。比如：1460字节。数据字段的长度加上TCP首部的长度才等于整个TCP报文段的长度。 MSS不宜设的太大也不宜设的太小。若选择太小，极端情况下，TCP报文段只含有1字节数据，在IP层传输的数据报的开销至少有40字节（包括TCP报文段的首部和IP数据报的首部）。这样，网络的利用率就不会超过1/41。若TCP报文段非常长，那么在IP层传输时就有可能要分解成多个短数据报片。在终点要把收到的各个短数据报片装配成原来的TCP报文段。当传输出错时还要进行重传，这些也都会使开销增大。因此MSS应尽可能大，只要在IP层传输时不需要再分片就行。在连接建立过程中，双方都把自己能够支持的MSS写入这一字段。MSS只出现在SYN报文中。即：MSS出现在SYN=1的报文段中。

    • MTU和MSS值的关系：MTU=MSS+IP Header+TCP Header
    • 通信双方最终的MSS值=较小MTU-IP Header-TCP Header

  • 2 窗口扩大
    为了扩大窗口，由于TCP首部的窗口大小字段长度是16位，所以其表示的最大数是65535。但是随着时延和带宽比较大的通信产生（如卫星通信），需要更大的窗口来满足性能和吞吐率，所以产生了这个窗口扩大选项。

  • 3 时间戳
    可以用来计算RTT(往返时间)，发送方发送TCP报文时，把当前的时间值放入时间戳字段，接收方收到后发送确认报文时，把这个时间戳字段的值复制到确认报文中，当发送方收到确认报文后即可计算出RTT。也可以用来防止回绕序号PAWS，也可以说可以用来区分相同序列号的不同报文。因为序列号用32为表示，每2^32个序列号就会产生回绕，那么使用时间戳字段就很容易区分相同序列号的不同报文。

映射第四层到应用程序

TCP协议PORT

• 传输层通过port号，确定应用层协议
• Port number:
  • tcp：传输控制协议，面向连接的协议；通信前需要建立虚拟链路；结束后拆除链路。
    0-65535
  • udp：User Datagram Protocol，无连接的协议。
    0-65535
• IANA:互联网数字分配机构（负责域名，数字资源，协议分配）

  • 0-1023：系统端口或特权端口(仅管理员可用) ，众所周知，永久的分配给固定的系统应用使用，22/tcp(ssh)， 80/tcp(http)， 443/tcp(https)

  • 1024-49151：用户端口或注册端口，但要求并不严格，分配给程序注册为某应用使用，1433/tcp(SqlServer)， 1521/tcp(oracle)，3306/tcp(mysql)，11211/tcp/udp(memcached)

  • 49152-65535：动态端口或私有端口，客户端程序随机使用的端口。
    其范围的定义：

    /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range
    

TCP三次握手

握手	客户端状态	客户端TCP	方向	服务器TCP	服务器状态	描述
第一次	初始：CLOSED 发送：SYN-SENT	SYN=1, seq=x	---->		初始：LISTEN 接收：SYN-RECEIVED	同步（SYN）
第二次	接收：SYN-SENT		<----	SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1	发送：SYN-RECEIVED	同步、确认（ACK）
第三次	发送：ESTABLISHED	ACK=1, seq=x+1, ack=y+1	---->		接收：ESTABLISHED	确认（ACK）
数据传输			<--->

TCP四次挥手

挥手	客户端状态	客户端TCP	方向	服务器TCP	服务器状态	描述
第一次	初始：ESTABLISHED 发送：FIN-WAIT-1	FIN=1, seq=u	---->		初始：ESTABLISHED 接收：CLOSE-WAIT	分手（FIN）
第二次	接收：FIN-WAIT-2		<----	ACK=1, seq=v, ack=u+1	发送：CLOSE-WAIT	好的（ACK）
第三次	接收：FIN-WAIT-2		<----	FIN=1, ACK=1, seq=w, ack=u+1	发送：LAST-ACK	分手（FIN+ACK）
第四次	发送：TIME-WAIT 2MSL后：CLOSED	ACK=1, seq=u+1, ack=w+1	---->		接收：CLOSED	好的（ACK）

为什么是三次握手、四次挥手

这是因为服务端在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时，当收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，己方也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即close，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送。

这是因为服务端的LISTEN状态下的SOCKET当收到SYN报文的建连请求后，它可以把ACK和SYN（ACK起应答作用，而SYN起同步作用）放在一个报文里来发送。但关闭连接时，当收到对方的FIN报文通知时，它仅仅表示对方没有数据发送给你了；但未必你所有的数据都全部发送给对方了，所以你可以未必会马上会关闭SOCKET,也即你可能还需要发送一些数据给对方之后，再发送FIN报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了，所以它这里的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的。

有限状态机FSM ：Finite State Machine

FSM	说明
CLOSED	没有任何连接状态
LISTEN	侦听状态，等待来自远方TCP端口的连接请求
SYN-SENT	在发送连接请求后，等待对方确认
SYN-RECEIVED	在收到和发送一个连接请求后，等待对方确认
ESTABLISHED	代表传输连接建立，双方进入数据传送状态
FIN-WAIT-1	主动关闭，主机已发送关闭连接请求，等待对方确认
FIN-WAIT-2	主动关闭，主机已收到对方关闭传输连接确认，等待对方发送关闭传输连接请求
TIME-WAIT	完成双向传输连接关闭，等待所有分组消失
CLOSE-WAIT	被动关闭，收到对方发来的关闭连接请求，并已确认
LAST-ACK	被动关闭，等待最后一个关闭传输连接确认，并等待所有分组消失
CLOSING	双方同时尝试关闭传输连接，等待对方确认

客户端先发送一个FIN给服务端，自己进入了FIN_WAIT_1状态，这时等待接收服务端的报文，该报文会有三种可能：

• 只有服务端的ACK
• 只有服务端的FIN
• 基于服务端的ACK，又有FIN

1、只收到服务器的ACK，客户端会进入FIN_WAIT_2状态，后续当收到服务端的FIN时，回应发送一个ACK，会进入到TIME_WAIT状态，这个状态会持续2MSL(TCP报文段在网络中的最大生存时间，RFC 1122标准的建议值是2min)。客户端等待2MSL，是为了当最后一个ACK丢失时，可以再发送一次。因为服务端在等待超时后会再发送一个FIN给客户端，进而客户端知道ACK已丢失。

2、只有服务端的FIN时，回应一个ACK给服务端，进入CLOSING状态，然后接收到服务端的ACK时，进入TIME_WAIT状态。

3、同时收到服务端的ACK和FIN，直接进入TIME_WAIT状态。

客户端的典型状态转移

• 客户端通过connect系统调用主动与服务器建立连接connect系统调用首先给服务器发送一个同步报文段，使连接转移到SYN_SENT状态。
• 此后connect系统调用可能因为如下两个原因失败返回：

1、如果connect连接的目标端口不存在（未被任何进程监听），或者该端口仍被处于TIME_WAIT状态的连接所占用（见后文），则服务器将给客户端发送一个复位报文段，connect调用失败。

2、如果目标端口存在，但connect在超时时间内未收到服务器的确认报文段，则connect调用失败。

connect调用失败将使连接立即返回到初始的CLOSED状态。如果客户端成功收到服务器的同步报文段和确认，则connect调用成功返回，连接转移至ESTABLISHED状态。

当客户端执行主动关闭时，它将向服务器发送一个结束报文段，同时连接进入FIN_WAIT_1状态。若此时客户端收到服务器专门用于确认目的的确认报文段，则连接转移至FIN_WAIT_2状态。当客户端处于FIN_WAIT_2状态时，服务器处于CLOSE_WAIT状态，这一对状态是可能发生半关闭的状态。此时如果服务器也关闭连接（发送结束报文段），则客户端将给予确认并进入TIME_WAIT状态。

客户端从FIN_WAIT_1状态可能直接进入TIME_WAIT状态（不经过FIN_WAIT_2状态），前提是处于FIN_WAIT_1状态的服务器直接收到带确认信息的结束报文段（而不是先收到确认报文段，再收到结束报文段）。

处于FIN_WAIT_2状态的客户端需要等待服务器发送结束报文段，才能转移至TIME_WAIT状态，否则它将一直停留在这个状态。如果不是为了在半关闭状态下继续接收数据，连接长时间地停留在IN_WAIT_2状态并无益处。连接停留在FIN_WAIT_2状态的情况可能发生在：客户端执行半关闭后，未等服务器关闭连接就强行退出了。此时客户端连接由内核来接管，可称之为孤儿连接（和孤儿进程类似）。

Linux为了防止孤儿连接长时间存留在内核中，定义了两个内核参数：

• /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_orphans 指定内核能接管的孤儿连接数目
• /proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout 指定孤儿连接在内核中生存的时间

有限状态机

TCP协议中的三次握手和四次挥手

客户机端的三次握手和四次挥手、服务器端的三次握手和四次挥手

graph TB C(CLOSED) S(SYN_SENT) E(ESTABLISHED) F1(FIN_WAIT_1) F2(FIN_WAIT_2) T(TIME_WAIT) SC(CLOSED) L(LISTEN) SR(SYN_RCVD) SE(ESTABLISHED) CW(CLOSE_WAIT) LA(LAST_ACK) subgraph 客户机端的三次握手和四次挥手 C --"发送SYN"--> S S --"接收SYN和ACK，发送ACK"--> E E --"发送FIN"--> F1 F1 --"接收确认，不发送任何信息"--> F2 F2 --"接收FIN，发送ACK"--> T T --"等待30秒"--> C end subgraph 服务器端的三次握手和四次挥手 SC --监听--> L L --"接收SYN，发送SYN和ACK"--> SR SR --"接收ACK，不发送任何信息"--> SE SE --"接收FIN，发送ACK"--> CW CW --"发送FIN"--> LA LA --"接收ACK，不发送任何信息"--> SC end