运输层——面向连接的运输：TCP

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目录

  • 概述
  • TCP报文段结构
  • TCP连接的建立
  • TCP连接的释放
  • 问题解答

一、概述

TCP被称为是面向连接的，这是因为，当在一个应用进程开始向另一个应用进程发送数据之前，这两个进程必须先相互“握手”，即它们必须相互发送某些预备报文段，以建立确保数据传输的参数。

不用赘述，大家肯定都听过TCP的三次握手、四次挥手。那么，我们现在来思考几个问题：

  1. TCP握手的目的是什么？
  2. TCP握手的详细过程是什么样的？
  3. 为什么TCP要进行三次握手？两次行不行？
  4. 为什么连接的时候是三次握手，而关闭的时候却需要四次握手？
  5. 在四次挥手时，为什么主动方还要等待2MSL才断开连接？

带着这几个问题，我们来详细的探讨一下TCP连接的建立和释放。

二、TCP报文段结构

在讨论连接之前，我想清楚的了解TCP报文段的结构是有必要的。

TCP报文段结构图：
TCP报文结构

TCP报文段由首部字段和一个数据字段组成。数字字段包含一块应用数据。我们重点看看首部字段。和UDP一样，TCP的首部字段也包括了源端口号和目的端口号，它被用于多路复用/分解来自或送到上层应用的数据。另外它也包含检验和字段。除了这些还有：

  1. 32bit 的 序号字段（Seq，sequence number field）和 32bit 的 确认号字段（acknowledgment number field）。这两个字段在传输过程中，被TCP发送方和接收方用来实现可靠数据传输服务。下一章我们将会详细讨论。
  2. 16bit 的 接收窗口字段（receive window field），该字段用于指示接收方愿意接收的字节数量，它用于流量控制。后面也会有相应的文章来介绍。
  3. 4bit 的 首部长度字段（header length field），该字段指示了以 32bit 的字为单位的TCP首部长度。图中可以看到，TCP首部还有一个 选项字段，这说明了TCP的首部长度是可变的。不过通常 选项字段为空，所以典型的TCP首部长度为20字节。
  4. 可选与变长 选项字段（options field），该字段用于发送方与接收方协商最大报文段长度（MSS）或在高速网络环境下用作窗口调节因子。
  5. 6bit的 标志字段（flag field）
    1. 确认ACK，仅当ACK被置为1时，确认字段才有效。TCP规定，ACK报文段可以携带数据，但是如果不携带数据则不消耗序号。且在连接建立后，所有传输的报文都必须把ACK置为1。
    2. 复位RST、同步SYN和终止FIN，用于连接建立和拆除。当RST = 1，表明TCP连接中出现了严重的差错，必须释放连接然后重新建立。同步SYN在连接的建立时用来同步序号。当SYN = 1，ACK = 0，表明是连接请求报文。若同意连接，则响应报文中应该使SYN = 1，ACK = 1。对于终止FIN，用来释放连接。当FIN = 1，表明此报文的发送方已经发送完毕，并且要求释放连接。
    3. CWR和ECE比特 用于拥塞控制，后面文章会讲到。
    4. PSH比特 被置位时，就指示接收方应立即将数据交给上层。比如，当两个应用进程进行交互式通信时，在一端的应用进程希望在键入一个命令后立即能收到响应，这时就将PSH置为1。
    5. URG比特 用来指示报文段里存在着被发送端的上层实体置为“紧急”的数据。
    6. 紧急数据的最后一个字节由16bit的 紧急数据指针字段 指出。当紧急数据存在并给出指向紧急数据尾指针时，TCP必须通知接收端的上层实体。（在实践中，PSH、URG和紧急指针并没有使用）

关于 序号字段 和 确认号字段，它们是TCP报文段中两个非常重要的字段，是实现可靠传输服务的关键部分。我们来详细的解释一下TCP的这两个字段究竟放置了什么。

TCP把数据看成是一个无结构的、有序的字节流。我们从TCP对序号的使用上可以看出这一点。因此，一个报文段的序号，是该报文段首字节的字节流编号。假设主机A上的一个进程想通过一条TCP连接向主机B上的一个进程发送一个数据流。主机A中的TCP将隐式的对数据流中的每一个字节编号。假定数据流由一个包含500,000字节的文件组成，其MSS[^MSS]为1000字节，数据流的首字节编号是0。那么如下图所示，该TCP将为该数据流构建500个报文段。给第一个报文段分配序号0，第二个分配序号1000，以此类推。每一个序号被填入到相应的TCP报文段首部的序号字段中。

序号示例

我们再来考虑一下确认号。确认号是干嘛的呢？它用来表示发送方期望收到的下一个字节的序号。假如主机A和主机B通信，那么A填充进报文段的确认号是主机A希望从主机B收到的下一个字节的序号。

三、TCP连接的建立（TCP的三次握手）

了解了TCP报文段的结构之后，我们再来看看TCP是如何建立连接的。

我们都知道，TCP在建立连接时需要“三次握手”。那么这三次握手的目的是什么呢？—— 连接服务器指定的端口，同步连接双方的序号和确认号并交换TCP窗口大小信息。

前文中提到，在socket编程中，客户端执行clientSocket.connect((serverName, serverPort))时就将触发TCP连接完成三次握手。

下面详细看看三次握手的过程：
三次握手

第一次握手：客户端向服务器发送一个特殊的TCP报文段，连接请求报文段（也叫SYN包）。在这个报文段的首部中，目标服务器端口号被填充进目标端口字段，同时序号字段被初始化（假设序号为X）且标志位SYN被置为1。也就是SYN = 1，ACK = 0，Seq = X。客户端发送请求报文后进入SYN_SENT状态。

第二次握手：服务器返回确认包进行应答（也叫ACK确认包）。返回包的首部中，序号字段也被初始化（假设为Y），确认号字段被填充为希望客户端发送的下一个字节的序号，即 X + 1，同时标志位SYN和ACK都被置为1。也就是SYN = 1，ACK = 1，Seq = Y，确认号ack = X + 1。此时服务器端进入SYN_RECV状态。

第三次握手：客户端再次发送确认包。同样的，除了设置发送序号字段，还将服务器发送过来的序号Y进行加1然后填充到字段确认号中，同时标志位ACK为1，SYN重新被置为0。即ACK = 1，SYN = 0，Seq = Z，ack = Y + 1。此时，客户端进入ESTABLISHED状态。

注意，TCP规定，前两个报文段不承载“有效载荷”，也就是不包含应用层数据，但需要消耗掉一个序号；而第三个报文段可以承载有效载荷，但是如果不承载有效载荷则不消耗序号。此时，进行了三次握手后，客户端和服务器就建立起了连接。

解释一下，有些人可能会奇怪，为啥这样就说“建立起连接了”？其实这里的“连接”是一条逻辑上的连接，表现为客户端和服务器端这两个端系统的TCP程序中保存了共同的状态。

四、TCP连接的释放（TCP的四次挥手）

既然TCP是面向连接的，那么在结束通信之前，释放连接是必要的。

TCP连接的关闭需要发送四个报文段，因此被称为四次挥手。客户端和服务器端都能主动的发出挥手动作，在socket编程中，任何一方执行close()操作都能触发。

四次挥手的详细过程：
四次挥手

第一次：主动方发送连接关闭报文（FIN报文），报文的标志位FIN被置为1，确认号字段被填充（假设为Z，前面传过来报文段的序号加1），且初始化序号字段为X。即FIN = 1，ack = Z，Seq = X。此时，主动方进入FIN_WAIT_1（终止等待1）状态。TCP规定，FIN报文段即使不携带数据也要消耗一个序号。

第二次：被动方收到释放报文后发送确认报文，序号字段填充为V，且确认号为填充为X + 1。即ACK = 1，ack = Z + 1，Seq = V。此时被动方进入CLOSE_WAIT（关闭等待）状态，TCP通知应用层进程，主动方的发送数据方向已经关闭了。这种状态被称为半关闭状态，表现为，主动方虽然不再发送带有有效载荷的数据，但是仍然接收数据。这个状态会持续一段时间，也就是整个CLOSE_WAIT状态持续的时间。

主动方收到被动方的确认报文后进入FIN_WAIT_2（终止等待2）状态，等待被动方发送连接释放报文。（在这之前还需要接收来自被动方的数据）

第三次：被动方将最后的数据发送完毕后，向主动方发送连接释放报文（FIN报文），标志位FIN被置为1，确认号字段、序号字段分别被填充为X、Y。即FIN = 1，ack = Z + 1，Seq = W。此时被动方进入LAST_ACK（最后确认）状态，等待主动方确认。

第四次：主动方收到被动方发出的确认报文后必须发出确认，ACK = 1，ack = W + 1，Seq = Z + 1。此时主动方进入TIME_WAIT（时间等待）状态。注意，此时TCP连接还没有释放，必须经过2 * MSL（最长报文寿命）的时间，当主动方撤销响应的进程后才进入CLOSED状态。

被动方只要收到了主动方发出的确认，立即进入CLOSED状态。若没有发生丢包，我们会发现，被动方进入CLOSED状态比主动方要早一些。

五、问题解答

  1. 通过同步请求发送端和请求接收端的状态信息来建立逻辑连接。
  2. 如上所述
  3. 主要是防止已经失效的连接请求报文又被传送到了服务器，导致连接重新建立，引起资源的浪费。假设，我们使用两次握手就建立连接，主机A向主机B发送连接请求报文，而由于网络原因主机A迟迟未接收到确认报文，认为服务器没有收到报文，重新向服务器发送了请求报文。经过握手，完成连接的建立，传输数据然后关闭连接。这时，如果主机B又收到了之前A发送的连接请求报文又会认为连接已经建立，等待接收数据，造成不必要的错误和资源的浪费。
  4. 文中已经有提到。当被动方接收到释放连接报文时，它还需要将还没有传完的数据继续传完（如果有的话），然后再发送FIN报文告知主动方，数据发完了，我也要准备释放连接了。
  5. MSL（Maximum Segment Lifetime），TCP允许不同的实现可以设置不同的MSL值。它的作用，第一，保证主动发送端发送的最后一个ACK报文能够到达被动端。当被动方发送FIN + ACK报文请求后，一段时间没有接收到确认报文时又会重新发送一次报文。这个时候主动方就会知道，刚刚我发送出去的确认报文对方没有收到，于是又发送一次确认报文，并且重启2MSL计时器。

[^MSS]：MSS（Maximum Segment Size）最大报文段长度。它通常根据最初确定的本地发送主机发送的最大链路层帧长度（最大传输单元，MTU）来设置。设置MSS要保证一个TCP报文段（当封装在一个IP数据报中）加上TCP/IP首部长度（20 + 20，通常40个字节）适合单个链路层帧。以太网和PPP链路层协议都具有1500字节的MTU，因此MSS的经典值为1460字节。

参考文章：
1.TCP的三次握手与四次挥手（详解+动图）
2.TCP三次握手四次挥手详解

以上内容整理自《计算机网络自顶向下方法》第七版。有问题？发送 issues 给我~

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