TCP 包頭格式

老規(guī)矩，咱們先來(lái)看看 TCP 頭的格式。

從上面這個(gè)圖可以看出，它比 UDP 要復(fù)雜的多。而復(fù)雜的地方，也正是它為了解決 UDP 存在的問題所必需的字段。

首先，源端口號(hào)和目標(biāo)端口號(hào)是兩者都有，不可缺少的字段。

接下來(lái)是包的序號(hào)。給包編號(hào)就是為了解決亂序的問題。老大哥做事，穩(wěn)重為主，一件件來(lái)，面臨再?gòu)?fù)雜的情況，也臨危不亂。

除了發(fā)送端需要給包編號(hào)外，接收方也會(huì)回復(fù)確認(rèn)序號(hào)。做事靠譜，答應(yīng)了就要做到，暫時(shí)做不到也要給個(gè)回復(fù)。

這里要注意的是，TCP 是個(gè)老大哥沒錯(cuò)，但不能說(shuō)他一定會(huì)保證傳輸準(zhǔn)確無(wú)誤的完成。從 IP 層面來(lái)講，如果網(wǎng)絡(luò)的確那么差，是沒有任何可靠性保證的，即使 TCP 老大哥再穩(wěn)，他也管不了 IP 層丟包，他只能盡可能的保證在他的層面上的可靠性。

然后是一些狀態(tài)位。有以下常見狀態(tài)位：

SYN（Synchronize Sequence Numbers，同步序列編號(hào)）：發(fā)起一個(gè)連接

ACK（Acknowledgement，確認(rèn)字符）：回復(fù)

RST（Connection reset）：重新連接

FIN：結(jié)束連接

從這些狀態(tài)位就可以看出，TCP 基于“性惡論”，警覺性就很高，不像 UDP 和小朋友似的，隨便一個(gè)不認(rèn)識(shí)的小朋友都能玩到一起，他與別人的信任要經(jīng)過多次交互才能建立。

還有一個(gè)窗口大小。這個(gè)是 TCP 用來(lái)進(jìn)行流量控制的。通信雙方各聲明一個(gè)窗口，標(biāo)識(shí)自己當(dāng)前的處理能力，讓發(fā)送端別發(fā)送的太快，要不然撐死接收端。也不能發(fā)送的太慢，要不然就餓死接收端了。

根據(jù)上述對(duì) TCP 頭的分析，我們知道對(duì)于 TCP 協(xié)議要重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)問題：

• 順序問題，穩(wěn)重不亂；
• 丟包問題，承諾靠譜；
• 連接偉豪，有始有終；
• 流量控制，把握分寸；
• 擁塞控制，知進(jìn)知退。

TCP 的三次握手

了解完 TCP 頭，我們就來(lái)看下 TCP 建立連接的過程，這就是著名的“三次握手”。

三次握手，過程是這樣子的：

A：你好，我是 A（SYN）。

B：你好 A，我是 B（SYN，ACK）。

A：你好 B（ACK 的 ACK）。

著重記憶上述過程，后續(xù)很多分析都是基于這個(gè)過程來(lái)的。

記得剛接觸三次握手的時(shí)候，就一直很納悶，為啥一定要三次？?jī)纱尾恍袉?？四次不行嗎？然后很多人就解釋，如果是兩次，就怎樣怎樣，四次，又怎樣怎樣？但這其實(shí)都是從結(jié)果推原因，沒有說(shuō)明本質(zhì)。

我們應(yīng)該知道，握手是為了建立穩(wěn)定的連接，這個(gè)是最終目的。而要達(dá)到這個(gè)目的，就要通信雙方的交互形成一個(gè)確認(rèn)的閉環(huán)。

拿上述 A、B 通信的例子來(lái)看，A 給 B 發(fā)信息，B 要告訴 A 他收到信息了。這時(shí)候，算是一個(gè)確認(rèn)閉環(huán)嗎？明顯不是，因?yàn)?B 沒有收到來(lái)自 A 的確認(rèn)信息。

所以，要達(dá)到我們上述的目標(biāo)，還要 A 給 B 一個(gè)確認(rèn)信息，這樣就形成了一個(gè)確認(rèn)閉環(huán)。

A 給 B 的確認(rèn)信息發(fā)出后，遇到網(wǎng)絡(luò)不好的情況，也會(huì)出現(xiàn)丟包的情況。按理來(lái)說(shuō)，還應(yīng)該有個(gè)回應(yīng)，但是，我們發(fā)現(xiàn)，好像這樣下去就沒玩沒了啦。

所以，我們說(shuō)，只要通信雙方形成一個(gè)確認(rèn)閉環(huán)后，就認(rèn)為連接已建立。一旦連接建立，A 會(huì)馬上發(fā)送數(shù)據(jù)，而 A 發(fā)送數(shù)據(jù)，后續(xù)的很多問題都得到了解決。

例如 A 發(fā)給 B 的確認(rèn)消息丟了，當(dāng) A 后續(xù)發(fā)送的數(shù)據(jù)到達(dá)的時(shí)候，B 可以認(rèn)為這個(gè)連接已經(jīng)建立。如果 B 直接掛了，A 發(fā)送的數(shù)據(jù)就會(huì)報(bào)錯(cuò)，說(shuō) B 不可達(dá)，這樣，A 也知道 B 出事情了。

三次握手除了通信雙方建立連接外，主要還是為了溝通 TCP 包的序號(hào)問題。

A 要告訴 B，我發(fā)起的包的序號(hào)起始是從哪個(gè)號(hào)開始的，B 也要告訴 A，B 發(fā)起的包的序號(hào)的起始號(hào)。

TCP 包的序號(hào)是會(huì)隨時(shí)間變化的，可以看成一個(gè) 32 位的計(jì)數(shù)器，每 4ms 加一。計(jì)算一下，這樣到出現(xiàn)重復(fù)號(hào)，需要 4 個(gè)多小時(shí)。但是，4 個(gè)小時(shí)后，還沒到達(dá)目的地的包早就死翹翹了。這是因?yàn)?IP 包頭里的 TTL（生存時(shí)間）。

為什么序號(hào)不能從 1 開始呢？因?yàn)檫@樣會(huì)很容易出現(xiàn)沖突。

例如，A 連上 B 之后，發(fā)送了 1、2、3 三個(gè)包，但是發(fā)送 3 的時(shí)候，中間丟了，或者繞路了，于是重新發(fā)送，后來(lái) A 掉線了，重新連上 B 后，序號(hào)又從 1 開始，然后發(fā)送 2，但是壓根沒想發(fā)送 3，而如果上次繞路的那個(gè) 3 剛好又回來(lái)了，發(fā)給了 B ，B 自然就認(rèn)為，這就是下一包，于是發(fā)生了錯(cuò)誤。

就這樣，雙方歷經(jīng)千辛萬(wàn)苦，終于建立了連接。前面也說(shuō)過，為了維護(hù)這個(gè)連接，雙方都要維護(hù)一個(gè)狀態(tài)機(jī)，在連接建立的過程中，雙方的狀態(tài)變化時(shí)序圖就像下面這樣：

整體過程是：

客戶端和服務(wù)端都處于 CLOSED 狀態(tài)；

服務(wù)端主動(dòng)監(jiān)聽某個(gè)端口，處于 LISTEN 狀態(tài)；

客戶端主動(dòng)發(fā)起連接 SYN，處于 SYN-SENT 狀態(tài)。

服務(wù)端收到客戶端發(fā)起的連接，返回 SYN，并且 ACK 客戶端的 SYN，處于 SYN-RCVD 狀態(tài)；

客戶端收到服務(wù)端發(fā)送的 SYN 和 ACK 之后，發(fā)送 ACK 的 ACK，處于 ESTABLISHED 狀態(tài)；

服務(wù)端收到 ACK 的 ACK 之后，處于 ESTABLISHED 狀態(tài)。

TCP 的四次揮手

說(shuō)完了連接，接下來(lái)就來(lái)了解下 TCP 的“再見模式”。這也常被稱為四次揮手。

還拿 A 和 B 舉例，揮手過程：

A：B 啊，我不想和你玩了。

B：哦，你不想玩了啊，我知道了。這個(gè)時(shí)候，還只是 A 不想玩了，就是說(shuō) A 不會(huì)再發(fā)送數(shù)據(jù)，但是 B 此時(shí)還沒做完自己的事情，還是可以發(fā)送數(shù)據(jù)的，所以此時(shí)的 B 處于半關(guān)閉狀態(tài)。

B：A啊，好吧，我也不想和你玩了，拜拜。

A：好的，拜拜。

這樣這個(gè)連接就關(guān)閉了。看起來(lái)過程很順利，是的，這是通信雙方“和平分手”的場(chǎng)面。

A 開始說(shuō)“不玩了”，B 說(shuō)“知道了”，這個(gè)回合，是沒什么問題的，因?yàn)樵诖酥?，雙方還處于合作的狀態(tài)。

如果 A 說(shuō)“不玩了”，沒有收到回復(fù)，那么 A 會(huì)重新發(fā)送“不玩了”。但是這個(gè)回合結(jié)束之后，就很可能出現(xiàn)異常情況了，因?yàn)橛幸环铰氏人浩颇?。這種撕破臉有兩種情況。

一種情況是，A 說(shuō)完“不玩了”之后，A 直接跑路，這是會(huì)有問題的，因?yàn)?B 還沒有發(fā)起結(jié)束，而如果 A 直接跑路，B 就算發(fā)起結(jié)束，也得不到回答，B 就就不知道該怎么辦了。

另一種情況是，A 說(shuō)完“不玩了”，B 直接跑路。這樣也是有問題的，因?yàn)?A 不知道 B 是還有事情要處理，還是過一會(huì)發(fā)送結(jié)束。

為了解決這些問題，TCP 專門設(shè)計(jì)了幾個(gè)狀態(tài)來(lái)處理這些問題。接下來(lái)，我們就來(lái)看看斷開連接時(shí)的狀態(tài)時(shí)序圖。

整體過程是：

A 說(shuō)“不玩了”，就進(jìn)入 FIN_WAIT_1 狀態(tài)；

B 收到 “A 不玩”的消息后，回復(fù)“知道了”，就進(jìn)入 CLOSE_WAIT 狀態(tài)；

A 收到“B 說(shuō)知道了”，進(jìn)入 FIN_WAIT_2 狀態(tài)。這時(shí)候，如果B 直接跑路，則 A 將永遠(yuǎn)在這個(gè)狀態(tài)。TCP 協(xié)議里面并沒有對(duì)這個(gè)狀態(tài)的處理，但是 Linux 有，可以調(diào)整 tcp_fin_timeout 這個(gè)參數(shù)，設(shè)置一個(gè)超時(shí)時(shí)間；

B 沒有跑路，發(fā)送了“B 也不玩了”的消息，處于 LAST_ACK 狀態(tài)；

A 收到“B 說(shuō)不玩了”的消息，回復(fù)“A 知道 B 也不玩了”的消息后，從 FINE_WAIT_2 狀態(tài)結(jié)束。

最后一個(gè)步驟里，如果 A 直接跑路了，也會(huì)出現(xiàn)問題。因?yàn)?A 的最后一個(gè)回復(fù)，B 如果沒有收到的話就會(huì)重復(fù)第 4 步，但是因?yàn)?A 已經(jīng)跑路了，所以 B 會(huì)一直重復(fù)第 4 步。

因此，TCP 協(xié)議要求 A 最后要等待一段時(shí)間，這個(gè)等待時(shí)間是 TIME_WAIT，這個(gè)時(shí)間要足夠長(zhǎng)，長(zhǎng)到如果 B 沒收到 A 的回復(fù)，B 重發(fā)給 A，A 的回復(fù)要有足夠時(shí)間到達(dá) B。

A 直接跑路還有一個(gè)問題是，A 的端口就空出來(lái)了，但是 B 不知道，B 原來(lái)發(fā)過的很多包可能還在路上，如果 A 的端口被新的應(yīng)用占用了，這個(gè)新的應(yīng)用會(huì)受到上個(gè)連接中 B 發(fā)過來(lái)的包，雖然序列號(hào)是重新生成的，但是這里會(huì)有一個(gè)雙保險(xiǎn)，防止產(chǎn)生混亂。因此也需要 A 等待足夠長(zhǎng)的時(shí)間，等到 B 發(fā)送的所有未到的包都“死翹翹”，再空出端口。

這個(gè)等待的時(shí)間設(shè)為 2MSL，MSL 是Maximum Segment Lifetime，即報(bào)文最大生存時(shí)間。它是任何報(bào)文再網(wǎng)絡(luò)上存在的最長(zhǎng)時(shí)間，超過這個(gè)時(shí)間的報(bào)文就會(huì)被丟棄。

因?yàn)?TCP 報(bào)文基于 IP 協(xié)議，而 IP 頭中有一個(gè) TTL 域，是 IP 數(shù)據(jù)報(bào)可以經(jīng)過的最大路有數(shù)，每經(jīng)過一個(gè)處理他的路由器，此值就減 1，當(dāng)此值為 0 時(shí)，數(shù)據(jù)報(bào)就被丟棄，同時(shí)發(fā)送 ICMP 報(bào)文通知源主機(jī)。協(xié)議規(guī)定 MSL 為 2 分鐘，實(shí)際應(yīng)用中常用的是 30 秒、1分鐘和 2 分鐘等。

還有一種異常情況，B 超過了 2MS 的時(shí)間，依然沒有收到它發(fā)的 FIN 的 ACK。按照 TCP 的原理，B 當(dāng)然還會(huì)重發(fā) FIN，這個(gè)時(shí)候 A 再收到這個(gè)包之后，就表示，我已經(jīng)等你這么久，算是仁至義盡了，再來(lái)的數(shù)據(jù)包我就不認(rèn)了，于是直接發(fā)送 RST，這樣 B 就知道 A 跑路了。

TCP 狀態(tài)機(jī)

將連接建立和連接斷開的兩個(gè)時(shí)序狀態(tài)圖綜合起來(lái)，就是著名的TCP 狀態(tài)機(jī)。我們可以將這個(gè)狀態(tài)機(jī)和時(shí)序狀態(tài)機(jī)對(duì)照看，就會(huì)更加明了。

圖中加黑加粗部分，是上面說(shuō)到的主要流程，相關(guān)說(shuō)明：

阿拉伯?dāng)?shù)字序號(hào)：建立連接順序；

大寫中文數(shù)字序號(hào)：斷開連接順序；

加粗實(shí)線：客戶端 A 的狀態(tài)變遷；

加粗虛線：服務(wù)端 B 的狀態(tài)變遷；

總結(jié)

TCP 包頭很復(fù)雜，主要關(guān)注 5 個(gè)問題。順序問題、丟包問題、連接維護(hù)、流量控制、擁塞控制；

建立連接三次握手，斷開連接四次揮手，狀態(tài)圖要牢記。
編輯：hfy