TCP沒那麼難吧？一文帶你詳細瞭解

如今相當多的程式員都是“網際網路程式設計師”，按說，應該對網際網路的基礎協議相當清楚。可惜至少就我的面試經驗來看，許多人這方面缺課太多，簡單說說TCP/IP協議分層就已經難倒了不少人。至於TCP/IP的“三次握手”，能說上來的人就相當少了，如果再問問“為什麼是三次握手”，基本就沒人能答上來了。一般的回答都是“這個太難”，或者“畢業太久，這個忘記了”。

如果臨時抱佛腳，把TCP的三次握手背下來應付面試，確實能做到。但是要回答TCP為什麼是三次握手，而不是兩次或者四次握手，光靠背就不行了——不信你去網路上搜搜看，各種回答都有，眾說紛紜，不少提問者一頭霧水。

TCP相關的知識重要嗎?我覺得挺重要的，這些年來無論網際網路怎麼變化，TCP協議本身都可以承載，仔細探究會發現它的設計的確夠巧妙，有許多值得借鑑的設計思想。

那麼TCP真的很難嗎?為什麼許多人背TCP的握手流程痛苦不堪，複述起來困難重重?我覺得，原因在於大家只把它當成“既存事實”， 就像上中學時候背歷史政治那樣對待。但TCP可不是毫無邏輯的胡說，一旦 你搞清了設計思想和邏輯，就會發現理解起來一點也不困難。所以，今天我來做個簡單講解。

首先說說“三次握手”這個譯名，我確實覺得翻譯有誤(翻譯出版過一百多萬字技術資料，我自信還是有把握的)。我以前總記不住“三次握手”的過程，因為總覺得“握了三次手”，“握手”是雙方共同往中間湊的過程，這明顯和建連流程不符合。後來才發現，“三次握手”的說法大概有問題。

“三次握手”的原文是three-way handshake，three-way更合適的翻譯恐怕是“三步”，所以整個名詞的意思是“需要三個步驟才能建立握手的機制”。這麼解釋的好處是，“步”給人感覺更形象，就是“單方面邁一步”而已。實際上，RFC 793裡說明了，握手過程也可以叫three-message handshake，通過三條訊息來建立的握手。

那麼，為什麼要三步才能建立握手呢?我們可以暫時不理這個問題，想想如果我們自己來設計握手機制，應當怎麼辦。

我們都知道，TCP是可靠的通訊協議，其“可靠性”就在於，任何一方要向另一方發資料(SYN)，都必須收到確認迴應(ACK)。同時TCP也是雙向的通訊協議，所以通訊的兩方都可以主動傳送訊息。

這裡要澄清的一點，對許多“網際網路程式設計師”來說，TCP是掩蓋在HTTP之下的，大家熟悉的HTTP，它的經典通訊模式是“一問一答”的，沒有請求就沒有應答。不過這只是HTTP的特性，不是TCP的特性。在TCP協議裡，客戶端和伺服器都可以隨時主動向對方傳送資料——也正是因為如此，改用HTTP/2之後伺服器可以主動推送資訊給客戶端，而不必改動TCP協議。

回到TCP，既然它是雙向、可靠的通訊，可以想見，建立連線就必須確認雙方到對方的通訊都是可靠的，所以大概需要四步，傳送四次訊息。

如果軟體設計都這麼簡單，那就太好了。可惜，世界上沒有那麼簡單的事情。仔細觀察這幅圖，我們會發現幾個問題：

第一，網路通訊的成本是很高的，延遲往往無法預測，哪怕能少傳送一次訊息，也可以大大降低成本，提高效率。所以，建立連線的步驟上限應當是四步，下限是兩步，越少越好。

第二，兩輪SYN/ACK之間必須有關聯，因為它們的功能相對獨立，都是確認到對方的通訊可靠，卻同屬於一個“建立連線”的邏輯操作。如果兩輪完全獨立，那麼如果兩輪中間間隔了特別特別長的時間，根本不是一個正常的建立連線的操作，程式卻無法識別，這顯然是不行的。所以，第二輪SYN/ACK必須要能夠和第一輪SYN/ACK關聯起來。

再仔細看看，第二步和第三步都是從服務端給客戶端發訊息，所以是不是可以合併起來?這樣起碼可以節省了一次網路通訊。

像上面這樣直接在第二步把ACK和SYN合併起來，問題就解決了?

按照之前的分析，節省訊息傳送次數只是考慮之一，還需要考慮的是，第二輪SYN/ACK必須和第一輪SYN/ACK掛鉤。

上面是TCP的資料報，包含了許多的控制位，用來標識連線的狀態。其中最常見的是SYN、ACK、FIN：SYN表示synchronize，在建立連線時使用;ACK表示acknowledge，表示“確認”收到了訊息;FIN表示finish，在斷開連線時使用。

還要注意的兩個東西是SEQ NO和ACK NO。SEQ NO即Sequence Number，服務端和客戶端都會維護自己的SEQ NO，表示“已經發送了多少資料”，單位是位元組;ACK NO即Acknowledge Number，用來回復確認，對應SEQ NO的資料已經收到。單獨說起來，這些概念都容易理解，只是注意不要混淆控制位的ACK和ACK NO——ACK是布林值用來標識資料報的型別，ACK NO是數值用來確認已經收到的資料。

基於上面的知識我們可以知道，在建立連線之初，資料報中的控制位SYN應當設定為1，表示“新建連線”;同時應當包含SEQ NO。此時的SEQ NO有個專門的名字叫ISN，也就是Initial Sequence Number(要注意，ISN只是用來稱呼這個特殊SEQ NO，並不存在專門的ISN欄位)。

在服務端收到第一個SYN訊息的時候，它當然需要傳送ACK響應，但它如何確認其中的SEQ NO“就是”新建連線的ISN，而不是來自姍姍來遲的某個古老連線呢?所以必須向客戶端確認。恰恰因為第二步是ACK,SYN“合二為一”的獨特響應，所以收到這個訊息時，客戶端就知道，既需要響應其中的SYN，也需要核實其中的ACK(如果你仔細讀過RFC793就會知道，其中專門有一段提到了： A three way handshake is necessary because…… )

到了第三步，客戶端返回的訊息裡既包含對應SYN的ACK，表示收到了服務端的訊息，同時設定SEQ NO=ISN+1，確認核實了ISN。服務端收到這條訊息，確認無誤是要建立新連線。至此，連線建立完畢。

大流程看起來就是這樣，也不難理解。不過仔細想想，還是有不少問題得考慮的。比如狀態問題，既然TCP是網路通訊，會發生延遲，那麼在“資訊已經發送，但還沒有收到確認”的時候，應當是有個明確狀態的，否則會發生狀態的錯亂。實際上TCP也確實做到了這點，它背後有一臺完整的狀態機，確保每時每刻，每個動作發生之後，狀態都完全可控，一切盡在掌握，不會出現任何“孤點”和“斷頭路”。

上圖是TCP的狀態轉移圖的區域性，覆蓋了建立連結的狀態，感興趣的讀者可以按照自己實地走走看(說個題外話，“自己模擬在圖上走走”看起來土，其實高科技領域也挺常用。設計波音737的時候，開始大家都不知道發動機怎麼擺比較好，設計師喬·薩特就在紙上畫出機身和發動機的模型，把發動機模型剪下來在飛機各處擺放，最終發現吊在翼下最合適)。

我在之前關於軟體設計的文章裡幾次提到狀態圖、狀態轉移函式，無論是使用者生命週期、訂單流轉過程，都可以用這個工具來解決。遺憾的是，我發現還有許多設計人員不懂得或者不習慣用使用它，實在很可惜。

回到TCP建立連線的過程，我們還要注意ISN。在建立連線時必須先確定ISN，通過它把客戶端和伺服器的計數對齊。通常的教材上說，ISN是隨機生成的，這樣就保證了唯一性。 隨機的目的是保持唯一，但千萬不要以為“隨機就不會重複”，簡單的“取隨機數”是很容易碰撞的。所以傳統的“隨機”方案是維護一個時鐘和一個32位的計數器，時鐘每過4毫秒，計數器自增1。因為2^32毫秒就是差不多4個半小時(MSL，Max Segment Lifetime)，這基本超出了任何資料包在網路中的可能傳輸時間，所以可以認為這種ISN是獨一無二的。

但這種方案也有風險，既然這樣的ISN是連續的，那麼中途的惡意程式可能能夠預測ISN的生成規律，從而偽造ISN…… 總之ISN的生成是個有趣的設計問題，這裡不展開了，有興趣可以自己搜尋資料閱讀。

我在開發中遇到不少程式設計師，一旦需要避免重複，就想到“生成隨機數”，根本不管隨機數也可能碰撞。更有甚者，一旦遇到類似ISN的場合，就想當然把初始值設定為0，真是讓人慾哭無淚(有沒有想過ISN為什麼不能設定為0呢，歡迎留言討論)。

說完了建立連線的握手，我們再來看終止連線的揮手。通常大家都知道，TCP是“三次握手，四次揮手”(雖然我很不贊成“次”，但既然它已經約定俗成，這裡還是延用通用的說法吧)。那麼，為什麼要四次才能揮手呢?

知道這個答案的人比能講清楚“三次握手”的要多。通常的答案都是：TCP是雙向通訊協議，要結束連線，雙方都必須傳送終止訊號，告訴對方後續再沒有資料發過來了，並等待對方確認，所以一共需要2+2=4次。

如果你之前看過建立連線的過程，大概會有這樣的疑問：既然建立連線的時候可以節省一步，把服務端返回SYN和ACK合併到一起，那麼結束連線的時候，是否也可以把服務端返回的SYN和FIN合併起來，節省一步呢?

想到了這個問題就值得恭喜，因為你不是隻滿足於“知其然”，而希望“知其所以然”。不過我們也需要想到，既然TCP連線的建立和終止都是同一批人定義的，既然他們能想到在建立連線時節省一步，那麼他們沒有理由在終止連線時不做節省。之所以沒有“節省”，一定是有理由存在的。

沒錯，確實是有理由的，而且這個理由很好理解，因為建立和終止連線的場景是不一樣的。在建立連線之前，客戶端和伺服器端都不會向對方傳送任何資料，所以在服務端返回ACK的時候帶上SYN，客戶端當然知道這是從服務端收到的第一個資料包。

而在結束連線時，客戶端向服務端傳送FIN，表示“我這邊不會繼續傳送資料過來了”，服務端響應ACK，這都沒有問題。但此時，服務端之前向客戶端傳送資料的操作可能還沒有完成，服務端仍然在向客戶端傳輸資料。如果服務端把FIN和ACK合併起來，就會出現這樣的情況：客戶端的資料還沒有接受完，忽然收到服務端的訊息“後續沒有資料了，終止連線”。顯然，這種情況不應當出現，所以不能把ACK和FIN合併在一起，所以終止連線必須要四步。

最近和實習生聊天，說起開發中遇到的各種問題，以及對應的模型，大家聽得入迷。事後有人問我：為什麼我們工作中遇不到這麼有意思的問題呢?我知道，這是個比較典型的問題。其實答案也很典型：因為你沒有去深究問題背後的原型。懂得了背後的原型，就具備了“從已知推導無知”的本領，也具備了“從無知中發現已知”的眼光。

我和朋友聊開發有個共同的判斷：TCP的握手和揮手看起來簡單，但真讓如今的開發人員去設計握手和揮手流程，估計有超過一半的人設計不出穩定、可靠、高效的握手和揮手流程。這樣說來，許多業務系統裡業務層面的通訊極不可靠，協議設計錯漏百出，也是無奈的結果了。

補充一句。我曾在面試中遇到過這樣的人，非名校畢業，已經有五年工作經驗，除了對流行的框架和熱點問題對答如流，對資料庫理論、網路基礎知識、資料結構和演算法依然如數家珍。事實充分證明，不是所有人工作之後就把大學的知識丟個精光的，事實也證明，這樣的候選人確實能擔大任。