linux网络编程系列（四）--tcp包头、三次握手、四次挥手、状态

1. TCP协议

1.1 TCP数据包头

要了解三次握手和四次挥手，首先需要了解下TCP数据包头的结构，如下：

• 源端口、目的端口：16位长，标识出远端和本地的端口号；
• 序号：SEQ，32位长，标识发送的数据包的顺序，防止数据包乱序；
• 确认号：32位长，接收方对发送方发送来的TCP报文段的响应，其值是对收到的报文序号加1，用于解决不丢包的问题；
• TCP头长：4位头长，标识tcp头部可以有多少个32bit，即多少个4字节，因为头长是4位，最大能表示15，所以TCP头部最大就是15*4等于60个字节，也就是说TCP包头最长可以有60个字节；
• URG：表示紧急指针是否有效；
• ACK：ACK位置1表明确认号是合法的，如果ACK为0，那么数据包不包含确认信息，确认字段被省略；
• 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；
• RST：表示要求对方重新建立连接，用于复位由于主机崩溃或其他原因而出现的错误的连接，还可以用于拒绝非法的数据报或拒绝连接请求；
• SYN：表示请求建立连接；
• FIN：表示通知对方要关闭连接了；
• 窗口大小：16位长，是一种流量控制的手段，这个窗口，指的是接收通告窗口，它告诉对端本端的TCP缓冲区还能容纳多少字节的数据，这样对方就可以控制发送数据的速度；
• 校验和：16位长，由发送端填充，接收端根据该值，校验接收到的TCP报文段在传输过程中是否损坏，校验包括头部和数据部分，它是TCP可靠传输的一个重要保障；
• 紧急指针：16位长，是一个正的偏移量，它和序号相加表示最后一个紧急数据的下一个字节的序号，确切的说，它是紧急指针相对当前序号的偏移，是发送端向接收端发送紧急数据的办法；
• 可选项：TCP头部最长可以有60个字节，而前部分已知的字段占用了20个字节，所以选项最多可以有40个字节，包括最大TCP载荷，窗口比例、选择重复数据报等选项；

注意：TCP数据包是没有IP地址的，只有端口

1.2 三次握手协议

在利用TCP实现源主机和目的主机通信时，目的主机必须同意，否则TCP连接无法建立。为了确保TCP连接的成功建立，TCP采用了一种称为三次握手的方式，三次握手方式使得“序号/确认号”系统能够正常工作，从而使它们的序号达成同步。如果三次握手成功，则连接建立成功，可以开始传送数据信息。
三次握手：为应用程序提供可靠的通信连接，适合于一次传输大批数据的情况，并适用于要求得到响应的应用程序。
其三次握手分别为：

• 源主机A的TCP向主机B发送连接请求报文段，其首部中的SYN（同步）标志位应置为1，表示想跟目标主机B建立连接，进行通信，并发送一个同步序列号X（例：SEQ=100）进行同步，表明在后面传送数据时的第一个数据字节的序号为X+1（即101）, 此时client端状态为SYN_SENT。
• 目标主机B的TCP收到连接请求报文段后，如同意，则发回确认。再确认报中应将ACK位置为1.确认号为X+1，同时又向A也发送一个SYN=1，并发送一个序号Y, 此时server端状态为SYN_RCVD。
• 源主机A的TCP收到目标主机B的确认后要想目标主机B给出确认。其ACK置为1，确认号为Y+1，而自己的序号为X+1。TCP的标准规定，SYN置1的报文段要消耗掉一个序号, 当两边都确认完成后，状态改为ESTABLISHED。

运行客户进程的源主机A的TCP通知上层应用进程，连接已经建立。
当源主机A向目标主机B发送第一个数据报文段时，其序号仍为X+1，因为前一个确认报文段并不消耗序号。
当运行服务进程的目标主机B的TCP收到源主机A的确认后，也通知其上层应用进程，连接已经建立。至此建立了一个全双工的连接。

1.3 tcp断开连接四次挥手

tcp建立连接是三次，但断开连接却要四次，是因为tcp是全双工的，两个方向上都需要进行关闭。

• 当主机A完成数据传输后,将控制位FIN置1,向主机B提出停止TCP连接的请求，状态改为FIN_WAIT_1，此时，该数据包中，序列号为主机B发送的上一个数据包中的确认号值，而确认号为主机A发送的上一个数据包中的序列号+该数据包所带的数据的大小;
• 主机B收到FIN后对其作出响应,确认这一方向上的TCP连接将关闭，将ACK置1，此时服务器状态改为CLOSE_WAIT， 客户端状态改为FIN_WAIT_1，此时序列号为上一步中的确认号，确认号为上一步中的序列号加1;
• 由B 端再提出反方向的关闭请求,将FIN置1，服务端状态为LAST_ACK，客户端状态为TIME_WAIT，此时序列号为上一步的确认号，确认号为上一步的序列号加上数据包所带数据的大小;
• 主机A对主机B的请求进行确认,将ACK置1,双方向的关闭结束状态为CLOSED，此时序列号为上一步中的确认号，确认号为上一步中的序列号加1;

注意 ： FIN和SYN一样，也要消耗一个序号。理论上服务器在TCP连接关闭时发送的终止数据包中，只有终止位置是1，然后客户端进行确认。但是在实际的 TCP实现中，在终止数据包中，确认位和终止位是同时置为1的，确认位置为1表示对最后一次传输的数据进行确认，终止位置为1表示关闭该方向的TCP连 接。

1.4 TCP有哪些状态

一般我们可以使用netstat查看当前socket状态。

• CLOSED：表示初始状态；
• LISTEN：表示服务器端的某个socket处于监听状态，可以接受连接；
• SYN_SENT：三次握手时，客户端发送第一次SYN连接请求后，状态SYN_SENT；
• SYN_RCVD：也是三次握手时服务端的一个中间状态；
• ESTABLISHED：表示连接已经建立，这里要说明一下，其实TCP连接并不是真的有什么东西连着在，只是说双方都是ESTABLLISHED状态，就说明双方连接正常；
• FIN_WAIT_1：已经建立连接后，其中一方请求终止连接，四次挥手中间状态；
• TIME_WAIT：表示收到了对方的FIN报文，并发送出了ACK报文，就等2MSL(默认是2min)后回到CLOSED可用状态；
• CLOSING：表示发送FIN报文后，没有收到对方的ACK报文，反而收到了对方的FIN报文，这种情况其实就是双方同时关闭socket；
• CLOSE_WAIT：四次挥手中间状态，表示在等待关闭连接；
• LAST_ACK：四次挥手时被动关闭一方在发送FIN报文后，等待对方的ACK确认报文；
• RST：同时打开和同时关闭；

1.5 TIME_WAIT为什么要等2MSL才会变为CLOSED

有两个原因：

• 可靠地终止TCP连接，在四次挥手的最后一步中，可能客户端发送到服务端的确认包丢失，服务端就会重发结束报文段，客户端重新发起确认报文段，而这就需要停留一段时间；
• 保证让迟来的TCP报文段有足够的时间被识别并丢弃，如果没有停留一段时间，原来客户端的端口号就可以立即被另外一个应用程序重用，此时如果服务端有迟来的报文段，就会发到该新的应用程序上去，而这显然是不被允许的；

注意：报文段的生存周期是一个MSL，所以在2MSL后，不会还存在迟到的报文段。