這次一定讓你記住 TCP 三次握手、四手揮手！

2020 年 10 月 12 日
筆記
TCP, 後端知識

TCP協議全稱為：Transmission Control Protocol，是一種面向鏈接、保證數據傳輸安全、可靠的數據傳輸協議。為了確保數據的可靠傳輸，不僅需要對發出的每個位元組進行編號確認，還需要驗證每一個數據包的有效性。每個TCP數據包是封閉在IP包中的，每個一IP包的後面緊跟著的是TCP頭，TCP報文格式如下：

源埠和目的埠欄位

TCP源埠（Source Port）：源電腦上的應用程式的埠號，占 16 位。
TCP目的埠（Destination Port）：目標電腦的應用程式埠號，占 16 位。

序列號欄位

CP序列號（Sequence Number）：占 32 位。它表示本報文段所發送數據的第一個位元組的編號。在 TCP 連接中，所傳送的位元組流的每一個位元組都會按順序編號。當SYN標記不為1時，這是當前數據分段第一個字母的序列號；如果SYN的值是1時，這個欄位的值就是初始序列值（ISN），用於對序列號進行同步。這時，第一個位元組的序列號比這個欄位的值大1，也就是ISN加1。

確認號欄位

TCP 確認號（Acknowledgment Number，ACK Number）：占 32 位。它表示接收方期望收到發送方下一個報文段的第一個位元組數據的編號。其值是接收電腦即將接收到的下一個序列號，也就是下一個接收到的位元組的序列號加1。

數據偏移欄位

TCP 首部長度（Header Length）：數據偏移是指數據段中的「數據」部分起始處距離 TCP 數據段起始處的位元組偏移量，占 4 位。其實這裡的「數據偏移」也是在確定 TCP 數據段頭部分的長度，告訴接收端的應用程式，數據從何處開始。

保留欄位

保留（Reserved）：占 4 位。為 TCP 將來的發展預留空間，目前必須全部為 0。

標誌位欄位

CWR（Congestion Window Reduce）：擁塞窗口減少標誌，用來表明它接收到了設置 ECE 標誌的 TCP 包。並且，發送方收到消息之後，通過減小發送窗口的大小來降低發送速率。
ECE（ECN Echo）：用來在 TCP 三次握手時表明一個 TCP 端是具備 ECN 功能的。在數據傳輸過程中，它也用來表明接收到的 TCP 包的 IP 頭部的 ECN 被設置為 11，即網路線路擁堵。
URG（Urgent）：表示本報文段中發送的數據是否包含緊急數據。URG=1 時表示有緊急數據。當 URG=1 時，後面的緊急指針欄位才有效。
ACK：表示前面的確認號欄位是否有效。ACK=1 時表示有效。只有當 ACK=1 時，前面的確認號欄位才有效。TCP 規定，連接建立後，ACK 必須為 1。
PSH（Push）：告訴對方收到該報文段後是否立即把數據推送給上層。如果值為 1，表示應當立即把數據提交給上層，而不是快取起來。
RST：表示是否重置連接。如果 RST=1，說明 TCP 連接出現了嚴重錯誤（如主機崩潰），必須釋放連接，然後再重新建立連接。
SYN：在建立連接時使用，用來同步序號。當 SYN=1，ACK=0 時，表示這是一個請求建立連接的報文段；當 SYN=1，ACK=1 時，表示對方同意建立連接。SYN=1 時，說明這是一個請求建立連接或同意建立連接的報文。只有在前兩次握手中 SYN 才為 1。
FIN：標記數據是否發送完畢。如果 FIN=1，表示數據已經發送完成，可以釋放連接。

窗口大小欄位

窗口大小（Window Size）：占 16 位。它表示從 Ack Number 開始還可以接收多少位元組的數據量，也表示當前接收端的接收窗口還有多少剩餘空間。該欄位可以用於 TCP 的流量控制。

TCP 校驗和欄位

校驗位（TCP Checksum）：占 16 位。它用於確認傳輸的數據是否有損壞。發送端基於數據內容校驗生成一個數值，接收端根據接收的數據校驗生成一個值。兩個值必須相同，才能證明數據是有效的。如果兩個值不同，則丟掉這個數據包。Checksum 是根據偽頭 + TCP 頭 + TCP 數據三部分進行計算的。

緊急指針欄位

緊急指針（Urgent Pointer）：僅當前面的 URG 控制位為 1 時才有意義。它指出本數據段中為緊急數據的位元組數，占 16 位。當所有緊急數據處理完後，TCP 就會告訴應用程式恢復到正常操作。即使當前窗口大小為 0，也是可以發送緊急數據的，因為緊急數據無須快取。

可選項欄位

選項（Option）：長度不定，但長度必須是 32bits 的整數倍。

TCP建立連接

TCP建立連接需要三個步驟，也就是大家熟知的三次握手。下圖了正常情形下通過三次握手建立連接的過程：

A機器發出一個數據包SYN設置為1，表示希望建立連接。這個包中的假設seq為x。
- 機器A發送SYN數據包後，會進入SYN_SENT狀態
B機器收到A發送的SYN數據後，響應一個數據包將SYN和ACK設置為1，假設這個響應包的序列號為y，同時期望下一次收到的資料庫的序列為x+1
- B回復響應包後，進入SYN_RECD狀態
A收到B的響應包後，對響應包做應答將ACK標誌設置為1，序列號為x + 1，期望下一次收到的數據包的序列號為y+1
- A機器和B機器連接建立成功

TCP三次握手抓包驗證

以為驗證三次握手是否描述正確，在下使用Wireshark進行抓包驗證。首先使用ping命令獲取www.baidu.com的ip地址：

正在 Ping www.a.shifen.com [183.232.231.174] 具有 32 位元組的數據:
來自 183.232.231.174 的回復: 位元組=32 時間=16ms TTL=54
來自 183.232.231.174 的回復: 位元組=32 時間=16ms TTL=54
來自 183.232.231.174 的回復: 位元組=32 時間=16ms TTL=54

183.232.231.172 的 Ping 統計資訊:
    數據包: 已發送 = 3，已接收 = 3，丟失 = 0 (0% 丟失)，
往返行程的估計時間(以毫秒為單位):
    最短 = 16ms，最長 = 16ms，平均 = 16ms

以上輸出顯示www.baidu.com的ip地址： 183.232.231.174，然後使用Wireshark的過濾器僅顯示與www.baidu.com通訊的tcp數據包：

ip.src_host == "183.232.231.174" or ip.dst_host == "183.232.231.174" and tcp

使用Wireshark抓包分析後，驗證TCP正常連接三次握手與上節描述的一致。

為什麼是三次握手？

為什麼是三次握手？三次握手主要有兩個目的：資訊對等和防止超時。

資訊對等

兩台機器通訊時都需要確認四個資訊：

自己發報文的能力
自己收報文的能力
對方發報文的能力
對方收報文的通知

第一次握手

第一次握手A機器向B機器發送SYN數據包，此時只有B機器能確認自己收報文的能力和對方發報文的能力。

一次握手完成B機器能夠確認的資訊有：

[x] B機器收報文的能力
[x] A機器發報文的能力

第二次握手

每二次握手後B響應A機器的SYN數據包，此時A機器就能確認：自己發報文的能力、自己收報文的能力、對方發報文的能力、對方收報文的能力

二次握手完成A機器能夠確認的資訊有：

[x] A機器發報文的能力
[x] A機器收報文的能力
[x] B機器發報文的能力
[x] B機器收報文的能力

第三次握手

每三次握手後A應答B機器的SYN + ACK數據包，此時B機器就能確認：自己發報文的能力、對方收報文的能力

二次握手完成A機器能夠確認的資訊有：

[x] B機器發報文的能力
[x] A機器收報文的能力

至此經過三次握手A、B機器就能做到資訊對等，雙方都能確認自己和對方的收、發報文的能力，最後方便理解將資訊對等製作成一個小表格：

防止超時

三次握手除了保證資訊對等也是了防止請求超時導致臟連接。TTL網路報文的生存往往會超過TCP請求超時時間，如果兩次握手就能創建連接，傳輸數據並釋放連接後，第一個超時的連接請求才到達B機器，B機器會以為是 A 創建新連接的請求，然後確認同意創建連接。因為A機器的狀態不是SYN_SENT，所以會直接丟棄了B的確認數據，導致 B 機器單方面的創建連接完畢。

如果是三次握手，則 B 機器收到連接請求後，同樣會向 A 機器確同意創建連接，但因為 A 不是SYN_SENT狀態，所以 A機器不會回復 B 機器確認創建連接請求，而 B 機器到一段時間後由於長時間沒有收到確認資訊，最終會導致連接創建失敗，因此不會出現臟連接。

TCP斷開連接

TCP是全雙工通訊，雙方都能作為數據的發送方和接收方，但TCP會有斷開的時候。TCP建立連接需要三次握手而斷開連接卻要四次，如圖所示為TCP斷開連接四次揮手過程：

A 機器發送關閉數據包將FIN設置為1，假設序列號為u，發完關閉數據包後此時 A 機器處理FIN_WAIT_1狀態
B 收到關閉連接請求後，通知應用程式處理完剩下的數據
B 響應 A 的關閉連接請求，將ACK標誌設置為1，seq為v，ack為u+1，隨後 B 機器處於 CLOSE_WAIT狀態
A 收到應答後，處於FIN_WAIT_2狀態，繼續等待 B 機器的FIN數據包
B 處理好現場後，主動向 A 機器發送數據包，並將FIN和ACK標誌設置為1，seq為w，ack為u+1，隨後處於LAST_WAIT狀態等待 A 機器的應答
A 機器收到FIN數據包後，隨後發送ACK數據包，seq為u+1,ack為w+1, 此時 A 機器處理TIME_WAIT狀態
B 機器收到ACK響應包後，進行CLOSED狀態，連接正常關閉
A 機器在TIME_WAIT狀態等待2MSL後，也進入CLOSEED狀態，連接關閉

什麼是2MSL：MSL是Maximum Segment Lifetime英文的縮寫，中文可以譯為「報文最大生存時間」，
2MSL即兩倍的MSL

四次揮手斷開連接可以用更形象的方式來表達：

男生：我們分手吧。
女生：好的，我需要去家裡把東西收拾完，再發消息給你。（此時男生不能再擁抱女生）
。。。，一個小時後
女生：我收拾完了，分手吧（此時女生也不能再擁抱男生）
男生：好的（此時雙方約定一段時間後，才可以分別找新的對象）

TCP四次揮手抓包驗證

抓包過程與與三次握手抓包過程一致，這裡不描述。直接看訪問後抓包的截圖：

第一個包是由192.168.1.6這台機器（也就是客戶機），發送了一個FIN包，seq為80,ack為2782
第二個包由183.232.231.174（伺服器），對192.168.1.6這台機器（也就是客戶機）發送了一個ACK包，seq為2782，ack為81
第三個包由183.232.231.174（伺服器），對192.168.1.6這台機器（也就是客戶機）發送了一個ACK和FIN包，seq為2782，ack為81
第四個包由192.168.1.6，向伺服器響應了一個ACK包，seq為81，ack為2783

四次揮手流程與我們描述的一致。

TIME_WAIT 狀態

主動要求關閉的機器（機器A）表示收到對方的FIN報文後，並發送出ACK報文後，進行TIME_WAIT狀態，等待2MSL後進行CLOSED狀態。如果在TIME_WAIT_1 時收到FIN標誌和ACK標誌報文時，可以直接進入TIME_WAIT狀態，而無需進入TIME_WAIT_2狀態。

為什麼要有 TIME_WAIT

確認被動關閉（機器B）能夠順利進入CLOSED狀態

假如A機器發送最後一個ACK後，但由於網路原因ACK包未能到達 B 機器，此時 B機器通常會認為 A機器沒有收到 FIN+ACK報文，會重發一次FIN+ACK報文。如果 A機器發送最後一個ACK後，自私的關閉連接進入 CLOSED狀態，就可能導致 B 無法收到ACK報文，無法正常關閉。

防止失效請求

TIME_WAIT 狀態可以防止已失效的請求包與正常連接的請求數據包混淆而發生異常。因為TIME_WAIT 狀態無法真正釋放句柄資源，在此期間， Socket中使用的本地埠在默認情況下不能再被使用。

CLOSE_WAIT 狀態

被動關閉的機器（機器B）在收到對方發送的，FIN報文後，馬上回復ACK報文，進入CLOSE_WAIT狀態。通知應用程式，處理剩下的數據，釋放資源。

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