TCP/IP之TCP協議首部、三次握手、四次揮手、FSM
TCP包頭
<--------------------------------32 位------------------------------> 0 8 16 24 32 |----------------|----------------|----------------|----------------| ----- | Source port | Destination port | | |-------------------------------------------------------------------| | | 序 號 | |-------------------------------------------------------------------| 20字節 | 確 認 號 | 固 定 |-------------------------------------------------------------------| 首 部 | | | U A P R S F| | |數據偏移 | 保 留 | R C S S Y I| 窗口 | | | | G K H T N N| | | |-------------------------------------------------------------------| | | 校 驗 和 | 緊急指針 | |-------------------------------------------------------------------| ----- | 選 項 （長 度 可 變） | 填充 | ---------------------------------------------------------------------
TCP包頭
源端口、目標端口 ：計算機上的進程要和其他進程通信是要通過計算機端口的，而一個計算機端口某個時刻只能被一個進程占用，所以通過指定源端口和目標端口，就可以知道是哪兩個進程需要通信。源端口、目標端口是用16位表示的，可推算計算機的端口個數為2^16個。
序列號 ：表示本報文段所發送數據的第一個字節的編號。在TCP連接中所傳送的字節流的每一個字節都會按順序編號。由於序列號由32位表示，所以每2^32個字節，就會出現序列號回繞，再次從 0 開始。
確認號 ：表示接收方期望收到發送方下一個報文段的第一個字節數據的編號。也就是告訴發送方：我希望你（指發送方）下次發送的數據的第一個字節數據的編號為此確認號。
數據偏移 ：表示TCP報文段的首部長度，共4位，由於TCP首部包含一個長度可變的選項部分，需要指定這個TCP報文段到底有多長。它指出 TCP 報文段的數 據起始處距離 TCP 報文段的起始處有多遠。該字段的單位是32位(即4個字節為計算單位），4位二進制最大表示15，所以數據偏移也就是TCP首部最大60字節。
URG ：表示本報文段中發送的數據是否包含緊急數據。後面的緊急指針字段（urgent pointer）只有當URG=1時才有效。
ACK ：表示是否前面確認號字段是否有效。只有當ACK=1時，前面的確認號字段才有效。TCP規定，連接建立後，ACK必須為1，帶ACK標誌的TCP報文段稱為確認報文段。
PSH ：提示接收端應用程序應該立即從TCP接收緩沖區中讀走數據，為接收後續數據騰出空間。如果為1，則表示對方應當立即把數據提交給上層應用，而不是緩存起來，如果應用程序不將接收到的數據讀走，就會一直停留在TCP接收緩沖區中。
RST ：如果收到一個RST=1的報文，說明與主機的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。或者說明上次發送給主機的數據有問題，主機拒絕響應，帶RST標誌的TCP報文段稱為復位報文段。
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，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才置為1，帶SYN標誌的TCP報文段稱為同步報文段。
FIN ：表示通知對方本端要關閉連接了，標記數據是否發送完畢。如果FIN=1，即告訴對方：“我的數據已經發送完畢，你可以釋放連接了”，帶FIN標誌的TCP報文段稱為結束報文段。
窗口大小 ：表示現在允許對方發送的數據量，也就是告訴對方，從本報文段的確認號開始允許對方發送的數據量，達到此值，需要ACK確認後才能再繼續傳送後面數據，由Window size value * Window size scaling factor（此值在三次握手階段TCP選項Window scale協商得到）得出此值。
校驗和 ：提供額外的可靠性。
緊急指針 ：標記緊急數據在數據字段中的位置。
選項部分 ：其最大長度可根據TCP首部長度進行推算。TCP首部長度用4位表示，選項部分最長為：(2^4-1)*4-20=40字節。
常見選項：
最大報文段長度：Maxium Segment Size，MSS，通常1460字節
窗口擴大：Window Scale
時間戳： Timestamps
1 最大報文段長度MSS（Maximum Segment Size） 指明自己期望對方發送TCP報文段時那個數據字段的長度。比如：1460字節。數據字段的長度加上TCP首部的長度才等於整個TCP報文段的長度。 MSS不宜設的太大也不宜設的太小。若選擇太小，極端情況下，TCP報文段只含有1字節數據，在IP層傳輸的數據報的開銷至少有40字節（包括TCP報文段的首部和IP數據報的首部）。這樣，網絡的利用率就不會超過1/41。若TCP報文段非常長，那麽在IP層傳輸時就有可能要分解成多個短數據報片。在終點要把收到的各個短數據報片裝配成原來的TCP報文段。當傳輸出錯時還要進行重傳，這些也都會使開銷增大。因此MSS應盡可能大，只要在IP層傳輸時不需要再分片就行。在連接建立過程中，雙方都把自己能夠支持的MSS寫入這一字段。MSS只出現在SYN報文中。即：MSS出現在SYN=1的報文段中。
- MTU和MSS值的關系：MTU=MSS+IP Header+TCP Header
- 通信雙方最終的MSS值=較小MTU-IP Header-TCP Header
2 窗口擴大
為了擴大窗口，由於TCP首部的窗口大小字段長度是16位，所以其表示的最大數是65535。但是隨著時延和帶寬比較大的通信產生（如衛星通信），需要更大的窗口來滿足性能和吞吐率，所以產生了這個窗口擴大選項。3 時間戳
可以用來計算RTT(往返時間)，發送方發送TCP報文時，把當前的時間值放入時間戳字段，接收方收到後發送確認報文時，把這個時間戳字段的值復制到確認報文中，當發送方收到確認報文後即可計算出RTT。也可以用來防止回繞序號PAWS，也可以說可以用來區分相同序列號的不同報文。因為序列號用32為表示，每2^32個序列號就會產生回繞，那麽使用時間戳字段就很容易區分相同序列號的不同報文。
映射第四層到應用程序
TCP協議PORT
- 傳輸層通過port號，確定應用層協議
- Port number:
- tcp：傳輸控制協議，面向連接的協議；通信前需要建立虛擬鏈路；結束後拆除鏈路。
0-65535 - udp：User Datagram Protocol，無連接的協議。
0-65535
- tcp：傳輸控制協議，面向連接的協議；通信前需要建立虛擬鏈路；結束後拆除鏈路。
- IANA:互聯網數字分配機構（負責域名，數字資源，協議分配）
0-1023：系統端口或特權端口(僅管理員可用) ，眾所周知，永久的分配給固定的系統應用使用，22/tcp(ssh)， 80/tcp(http)， 443/tcp(https)
1024-49151：用戶端口或註冊端口，但要求並不嚴格，分配給程序註冊為某應用使用，1433/tcp(SqlServer)， 1521/tcp(oracle)，3306/tcp(mysql)，11211/tcp/udp(memcached)
49152-65535：動態端口或私有端口，客戶端程序隨機使用的端口。
其範圍的定義：/proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range
TCP三次握手
| 握手 | 客戶端狀態 | 客戶端TCP | 方向 | 服務器TCP | 服務器狀態 | 描述 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 第一次 | 初始：CLOSED 發送：SYN-SENT |
SYN=1, seq=x | ----> | 初始：LISTEN 接收：SYN-RECEIVED |
同步（SYN） | |
| 第二次 | 接收：SYN-SENT | <---- | SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1 | 發送：SYN-RECEIVED | 同步、確認（ACK） | |
| 第三次 | 發送：ESTABLISHED | ACK=1, seq=x+1, ack=y+1 | ----> | 接收：ESTABLISHED | 確認（ACK） | |
| 數據傳輸 | <---> |
TCP四次揮手
| 揮手 | 客戶端狀態 | 客戶端TCP | 方向 | 服務器TCP | 服務器狀態 | 描述 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 第一次 | 初始：ESTABLISHED 發送：FIN-WAIT-1 |
FIN=1, seq=u | ----> | 初始：ESTABLISHED 接收：CLOSE-WAIT |
分手（FIN） | |
| 第二次 | 接收：FIN-WAIT-2 | <---- | ACK=1, seq=v, ack=u+1 | 發送：CLOSE-WAIT | 好的（ACK） | |
| 第三次 | 接收：FIN-WAIT-2 | <---- | FIN=1, ACK=1, seq=w, ack=u+1 | 發送：LAST-ACK | 分手（FIN+ACK） | |
| 第四次 | 發送：TIME-WAIT 2MSL後：CLOSED |
ACK=1, seq=u+1, ack=w+1 | ----> | 接收：CLOSED | 好的（ACK） |
有限狀態機FSM ：Finite State Machine
| FSM | 說明 |
|---|---|
| CLOSED | 沒有任何連接狀態 |
| LISTEN | 偵聽狀態，等待來自遠方TCP端口的連接請求 |
| SYN-SENT | 在發送連接請求後，等待對方確認 |
| SYN-RECEIVED | 在收到和發送一個連接請求後，等待對方確認 |
| ESTABLISHED | 代表傳輸連接建立，雙方進入數據傳送狀態 |
| FIN-WAIT-1 | 主動關閉，主機已發送關閉連接請求，等待對方確認 |
| FIN-WAIT-2 | 主動關閉，主機已收到對方關閉傳輸連接確認，等待對方發送關閉傳輸連接請求 |
| TIME-WAIT | 完成雙向傳輸連接關閉，等待所有分組消失 |
| CLOSE-WAIT | 被動關閉，收到對方發來的關閉連接請求，並已確認 |
| LAST-ACK | 被動關閉，等待最後一個關閉傳輸連接確認，並等待所有分組消失 |
| CLOSING | 雙方同時嘗試關閉傳輸連接，等待對方確認 |
客戶端先發送一個FIN給服務端，自己進入了FIN_WAIT_1狀態，這時等待接收服務端的報文，該報文會有三種可能：
- 只有服務端的ACK
- 只有服務端的FIN
- 基於服務端的ACK，又有FIN
1、只收到服務器的ACK，客戶端會進入FIN_WAIT_2狀態，後續當收到服務端的FIN時，回應發送一個ACK，會進入到TIME_WAIT狀態，這個狀態會持續2MSL(TCP報文段在網絡中的最大生存時間，RFC 1122標準的建議值是2min)。客戶端等待2MSL，是為了當最後一個ACK丟失時，可以再發送一次。因為服務端在等待超時後會再發送一個FIN給客戶端，進而客戶端知道ACK已丟失。
2、只有服務端的FIN時，回應一個ACK給服務端，進入CLOSING狀態，然後接收到服務端的ACK時，進入TIME_WAIT狀態。
3、同時收到服務端的ACK和FIN，直接進入TIME_WAIT狀態。
客戶端的典型狀態轉移
- 客戶端通過connect系統調用主動與服務器建立連接connect系統調用首先給服務器發送一個同步報文段，使連接轉移到SYN_SENT狀態。
- 此後connect系統調用可能因為如下兩個原因失敗返回：
1、如果connect連接的目標端口不存在（未被任何進程監聽），或者該端口仍被處於TIME_WAIT狀態的連接所占用（見後文），則服務器將給客戶端發送一個復位報文段，connect調用失敗。
2、如果目標端口存在，但connect在超時時間內未收到服務器的確認報文段，則connect調用失敗。
connect調用失敗將使連接立即返回到初始的CLOSED狀態。如果客戶端成功收到服務器的同步報文段和確認，則connect調用成功返回，連接轉移至ESTABLISHED狀態。
當客戶端執行主動關閉時，它將向服務器發送一個結束報文段，同時連接進入FIN_WAIT_1狀態。若此時客戶端收到服務器專門用於確認目的的確認報文段，則連接轉移至FIN_WAIT_2狀態。當客戶端處於FIN_WAIT_2狀態時，服務器處於CLOSE_WAIT狀態，這一對狀態是可能發生半關閉的狀態。此時如果服務器也關閉連接（發送結束報文段），則客戶端將給予確認並進入TIME_WAIT狀態。
客戶端從FIN_WAIT_1狀態可能直接進入TIME_WAIT狀態（不經過FIN_WAIT_2狀態），前提是處於FIN_WAIT_1狀態的服務器直接收到帶確認信息的結束報文段（而不是先收到確認報文段，再收到結束報文段）。
處於FIN_WAIT_2狀態的客戶端需要等待服務器發送結束報文段，才能轉移至TIME_WAIT狀態，否則它將一直停留在這個狀態。如果不是為了在半關閉狀態下繼續接收數據，連接長時間地停留在IN_WAIT_2狀態並無益處。連接停留在FIN_WAIT_2狀態的情況可能發生在：客戶端執行半關閉後，未等服務器關閉連接就強行退出了。此時客戶端連接由內核來接管，可稱之為孤兒連接（和孤兒進程類似）。
Linux為了防止孤兒連接長時間存留在內核中，定義了兩個內核參數：
- /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_orphans 指定內核能接管的孤兒連接數目
- /proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout 指定孤兒連接在內核中生存的時間
有限狀態機
TCP協議中的三次握手和四次揮手
客戶機端的三次握手和四次揮手、服務器端的三次握手和四次揮手
graph TB C(CLOSED) S(SYN_SENT) E(ESTABLISHED) F1(FIN_WAIT_1) F2(FIN_WAIT_2) T(TIME_WAIT) SC(CLOSED) L(LISTEN) SR(SYN_RCVD) SE(ESTABLISHED) CW(CLOSE_WAIT) LA(LAST_ACK) subgraph 客戶機端的三次握手和四次揮手 C --"發送SYN"--> S S --"接收SYN和ACK，發送ACK"--> E E --"發送FIN"--> F1 F1 --"接收確認，不發送任何信息"--> F2 F2 --"接收FIN，發送ACK"--> T T --"等待30秒"--> C end subgraph 服務器端的三次握手和四次揮手 SC --監聽--> L L --"接收SYN，發送SYN和ACK"--> SR SR --"接收ACK，不發送任何信息"--> SE SE --"接收FIN，發送ACK"--> CW CW --"發送FIN"--> LA LA --"接收ACK，不發送任何信息"--> SC endTCP/IP之TCP協議首部、三次握手、四次揮手、FSM