TCP三次握手原理

本文主要内容

• TCP数据包格式
• 三次握手原理
• TCP的传输和确认
• TCP的序号和确认序号

1、TCP数据包格式

TCP数据包格式如下：

• 端口号，用于区分发送消息或者接收消息的进程。
• 序号，首字节在整个数据流中的位置。初始序列号随机产生，并在连接建立阶段予以同步。
• 确认序号，表示序号为确认号减去1的数据包及其以前的所有数据包已经正确接收，也就是说他相当于下一个准备接收的字节的序号

注意到中间还有几个标志位：

• URG—为1表示高优先级数据包，紧急指针字段有效。
• ACK—为1表示确认号字段有效
• PSH—为1表示是带有PUSH标志的数据，指示接收方应该尽快将这个报文段交给应用层而不用等待缓冲区装满。
• RST—为1表示出现严重差错。可能需要重现创建TCP连接。还可以用于拒绝非法的报文段和拒绝连接请求。
• SYN—为1表示这是连接请求或是连接接受请求，用于创建连接和使顺序号同步
• FIN—为1表示发送方没有数据要传输了，要求释放连接。

数据包格式当中，最重要的是理解序号和确认序号。TCP为什么是稳定可靠的，与序号与确认序号这套机制紧密相关，这也是TCP的精髓。

2、TCP的三次握手

众所周知，TCP协议是可靠的，而UDP协议是不可靠的。在一些场景中必须用TCP，比如说用户登录，必须给出明确答复是否登录成功等。而有些场景中，用户是否接收到数据则不那么关键，比如网络游戏当中，玩家射出一颗子弹，另外的玩家是否看到，完全取决于当前网络环境，如果网络卡顿，就会有玩家已经被射杀，但界面仍然刷新不出来的情况。这种情形适合UDP。

为了保证TCP协议可靠，在建立连接之时就要得到保证。

最初两端的TCP进程都处于CLOSED关闭状态，A主动打开连接，而B被动打开连接。（A、B关闭状态CLOSED——B收听状态LISTEN——A同步已发送状态SYN-SENT——B同步收到状态SYN-RCVD——A、B连接已建立状态ESTABLISHED）

B服务器进程就处于LISTEN（收听）状态，等待客户的连接请求。若有，则作出响应。

• 第一次握手：A客户进程向B发出连接请求报文段，（首部的同步位SYN=1，初始序号seq=x），（SYN=1的报文段不能携带数据）但要消耗掉一个序号，此时TCP客户进程进入SYN-SENT（同步已发送）状态。
• 第二次握手：B收到连接请求报文段后，如同意建立连接，则向A发送确认，在确认报文段中（SYN=1，ACK=1，确认号ack=x+1，初始序号seq=y），TCP服务器进程进入SYN-RCVD（同步收到）状态；
• 第三次握手：TCP客户进程收到B的确认后，要向B给出确认报文段（ACK=1，确认号ack=y+1，序号seq=x+1）（初始为seq=x，第二个报文段所以要+1），ACK报文段可以携带数据，不携带数据则不消耗序号。TCP连接已经建立，A进入ESTABLISHED（已建立连接）。
  当B收到A的确认后，也进入ESTABLISHED状态。

3、TCP的传输和确认

TCP 传输的可靠性，可以用一句话归结：每收到对方数据，就发送 ACK 进行确定，发送方发送后没有收到 ACK 就隔一段时间重发。

就是 A 向 B 发送消息（下面将 TCP 的报文直接看做是消息，消息一词跟 TCP 报文混用），B 收到消息后需要向 A 发送 ACK。这个 ACK 相当于返回结果，没有返回结果，A 就重新发送消息。

归纳起来，A 有 3 种消息需要确认。

• SYN，用于建立连接。
• FIN，用于终止连接。
• 发送数据。

另外 A 也可以发送 RST 消息，代表出错了。出错消息不需要确认。RST 也可以当成返回接口，替代正常的 ACK。返回 ACK，表示消息发送并处理成功，返回 RST 表示消息处理失败。因为通过网络传输，还有第三种结果，就是不确定成功失败。这样归纳起来。就有三种返回结果。

• ACK，成功。继续进行下一步。
• RST，出错。终止连接。
• 不确定，重发。
  其中第三种情况又有两种具体情况。，
  A 向 B 发送消息，但 B 根本没有收到。
  B 收到消息后，发送 ACK，但 A 没有收到。

这两种具体情况，A 根本识别不了，都只能重发。

4、TCP的序号和确认序号

A 向 B 发送消息，假如同时发送 a、b、c、d 消息，因为通过网络，这些消息的顺序并非固定的。而 B 返回 ACK 结果，这样就有一个问题，这个结果到底对应了哪个消息？另外当 A 超时重发后，原来的消息延时一段时候，又重新到达了 B，这样 B 就收到两条相同的消息，那么 B 怎么确定这两条消息是相同的呢？

为了解决这个对应问题，每一条消息都需要有一个编号，返回结果也应该有一个编号。TCP 的序号可以看成是发送消息的编号，确认序号可以看成是返回结果的编号。有了编号，重复的消息才可以忽略，返回结果(ACK)才可以跟消息对应起来。

当建立连接的时候，TCP 选定一个初始序号，之后每发送一个数据包（消息），就将序号递增，保证每发送不同的数据包，数据包的序号都是不同的。TCP 是这样处理的：

• 发送 SYN, 分配当前序号，当前序号递增 1。
• 发送 FIN, 分配当前序号，当前序号递增 1。
• 发送数据，分配当前序号，当前序号递增数据的字节长度。

SYN、FIN 也需要递增序号。不然 A 向 B 重发多个 SYN 或者 FIN, B 根本判断不了 SYN 是否相同，这样就不可以忽略重复的数据包了。

当 TCP 发送 ACK 时，相当于返回结果，需要带有确认序号，以便跟发送的消息对应起来。

当发送包编号为 a，递增长度为 len。其中 SYN 和 FIN 可以看成是递增长度为 1。这条消息可以这样表示为：

• msg[a, a + len)

现在来回顾三次握手过程。A发送序列号x给B，B回复A确认号 x+ 1，同时发送序列号 y，A接收到B的回复后，再回复确认号 y+1，同时发送序列号 x+1。给对方的回复一定是接收到的序号加1（或者是数据长度），这样对方才能知道我已经收到了，这样才能保证TCP是可靠的。