TCP/IP之TCP协议首部、三次握手、四次挥手、FSM

TCP包头

<--------------------------------32 位------------------------------>

0                8                16               24               32
|----------------|----------------|----------------|----------------|  -----
|            Source port          |         Destination port        |    |
|-------------------------------------------------------------------|    |
|                               序 号                                |
|-------------------------------------------------------------------|   20字节
|                              确 认 号                              |   固 定
|-------------------------------------------------------------------|   首 部
|        |           | U A P R S F|                                 |
|数据偏移 |  保 留    | R C S S Y I|               窗口               |
|        |           | G K H T N N|                                 |    |
|-------------------------------------------------------------------|    |
|              校 验 和            |             紧急指针             |
|-------------------------------------------------------------------|   -----
|              选 项 （长 度 可 变）                 |      填充      |
---------------------------------------------------------------------

TCP包头

• 源端口、目标端口 ：计算机上的进程要和其他进程通信是要通过计算机端口的，而一个计算机端口某个时刻只能被一个进程占用，所以通过指定源端口和目标端口，就可以知道是哪两个进程需要通信。源端口、目标端口是用16位表示的，可推算计算机的端口个数为2^16个。
• 序列号 ：表示本报文段所发送数据的第一个字节的编号。在TCP连接中所传送的字节流的每一个字节都会按顺序编号。由于序列号由32位表示，所以每2^32个字节，就会出现序列号回绕，再次从 0 开始。
• 确认号 ：表示接收方期望收到发送方下一个报文段的第一个字节数据的编号。也就是告诉发送方：我希望你（指发送方）下次发送的数据的第一个字节数据的编号为此确认号。
• 数据偏移 ：表示TCP报文段的首部长度，共4位，由于TCP首部包含一个长度可变的选项部分，需要指定这个TCP报文段到底有多长。它指出 TCP 报文段的数
  据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远。该字段的单位是32位(即4个字节为计算单位），4位二进制最大表示15，所以数据偏移也就是TCP首部最大60字节。
• URG ：表示本报文段中发送的数据是否包含紧急数据。后面的紧急指针字段（urgent pointer）只有当URG=1时才有效。
• ACK ：表示是否前面确认号字段是否有效。只有当ACK=1时，前面的确认号字段才有效。TCP规定，连接建立后，ACK必须为1，带ACK标志的TCP报文段称为确认报文段。
• 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。如果为1，则表示对方应当立即把数据提交给上层应用，而不是缓存起来，如果应用程序不将接收到的数据读走，就会一直停留在TCP接收缓冲区中。
• RST ：如果收到一个RST=1的报文，说明与主机的连接出现了严重错误（如主机崩溃），必须释放连接，然后再重新建立连接。或者说明上次发送给主机的数据有问题，主机拒绝响应，带RST标志的TCP报文段称为复位报文段。
• SYN ：在建立连接时使用，用来同步序号。当SYN=1，ACK=0时，表示这是一个请求建立连接的报文段；当SYN=1，ACK=1时，表示对方同意建立连接。SYN=1，说明这是一个请求建立连接或同意建立连接的报文。只有在前两次握手中SYN才置为1，带SYN标志的TCP报文段称为同步报文段。
• FIN ：表示通知对方本端要关闭连接了，标记数据是否发送完毕。如果FIN=1，即告诉对方：“我的数据已经发送完毕，你可以释放连接了”，带FIN标志的TCP报文段称为结束报文段。
• 窗口大小 ：表示现在允许对方发送的数据量，也就是告诉对方，从本报文段的确认号开始允许对方发送的数据量，达到此值，需要ACK确认后才能再继续传送后面数据，由Window size value * Window size scaling factor（此值在三次握手阶段TCP选项Window scale协商得到）得出此值。
• 校验和 ：提供额外的可靠性。
• 紧急指针 ：标记紧急数据在数据字段中的位置。
• 选项部分 ：其最大长度可根据TCP首部长度进行推算。TCP首部长度用4位表示，选项部分最长为：(2^4-1)*4-20=40字节。

  常见选项：

  • 最大报文段长度：Maxium Segment Size，MSS，通常1460字节
  • 窗口扩大：Window Scale
  • 时间戳： Timestamps
  • 1 最大报文段长度MSS（Maximum Segment Size）
    指明自己期望对方发送TCP报文段时那个数据字段的长度。比如：1460字节。数据字段的长度加上TCP首部的长度才等于整个TCP报文段的长度。 MSS不宜设的太大也不宜设的太小。若选择太小，极端情况下，TCP报文段只含有1字节数据，在IP层传输的数据报的开销至少有40字节（包括TCP报文段的首部和IP数据报的首部）。这样，网络的利用率就不会超过1/41。若TCP报文段非常长，那么在IP层传输时就有可能要分解成多个短数据报片。在终点要把收到的各个短数据报片装配成原来的TCP报文段。当传输出错时还要进行重传，这些也都会使开销增大。因此MSS应尽可能大，只要在IP层传输时不需要再分片就行。在连接建立过程中，双方都把自己能够支持的MSS写入这一字段。MSS只出现在SYN报文中。即：MSS出现在SYN=1的报文段中。
    • MTU和MSS值的关系：MTU=MSS+IP Header+TCP Header
    • 通信双方最终的MSS值=较小MTU-IP Header-TCP Header
  • 2 窗口扩大

    为了扩大窗口，由于TCP首部的窗口大小字段长度是16位，所以其表示的最大数是65535。但是随着时延和带宽比较大的通信产生（如卫星通信），需要更大的窗口来满足性能和吞吐率，所以产生了这个窗口扩大选项。

  • 3 时间戳

    可以用来计算RTT(往返时间)，发送方发送TCP报文时，把当前的时间值放入时间戳字段，接收方收到后发送确认报文时，把这个时间戳字段的值复制到确认报文中，当发送方收到确认报文后即可计算出RTT。也可以用来防止回绕序号PAWS，也可以说可以用来区分相同序列号的不同报文。因为序列号用32为表示，每2^32个序列号就会产生回绕，那么使用时间戳字段就很容易区分相同序列号的不同报文。

映射第四层到应用程序

TCP协议PORT

• 传输层通过port号，确定应用层协议
• Port number:
  • tcp：传输控制协议，面向连接的协议；通信前需要建立虚拟链路；结束后拆除链路。

    0-65535

  • udp：User Datagram Protocol，无连接的协议。

    0-65535

• IANA:互联网数字分配机构（负责域名，数字资源，协议分配）
  • 0-1023：系统端口或特权端口(仅管理员可用) ，众所周知，永久的分配给固定的系统应用使用，22/tcp(ssh)， 80/tcp(http)， 443/tcp(https)
  • 1024-49151：用户端口或注册端口，但要求并不严格，分配给程序注册为某应用使用，1433/tcp(SqlServer)， 1521/tcp(oracle)，3306/tcp(mysql)，11211/tcp/udp(memcached)
  • 49152-65535：动态端口或私有端口，客户端程序随机使用的端口。

    其范围的定义：

    /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range
    

TCP三次握手

TCP四次挥手

有限状态机FSM ：Finite State Machine

客户端先发送一个FIN给服务端，自己进入了FIN_WAIT_1状态，这时等待接收服务端的报文，该报文会有三种可能：

• 只有服务端的ACK
• 只有服务端的FIN
• 基于服务端的ACK，又有FIN

1、只收到服务器的ACK，客户端会进入FIN_WAIT_2状态，后续当收到服务端的FIN时，回应发送一个ACK，会进入到TIME_WAIT状态，这个状态会持续2MSL(TCP报文段在网络中的最大生存时间，RFC 1122标准的建议值是2min)。客户端等待2MSL，是为了当最后一个ACK丢失时，可以再发送一次。因为服务端在等待超时后会再发送一个FIN给客户端，进而客户端知道ACK已丢失。

2、只有服务端的FIN时，回应一个ACK给服务端，进入CLOSING状态，然后接收到服务端的ACK时，进入TIME_WAIT状态。

3、同时收到服务端的ACK和FIN，直接进入TIME_WAIT状态。

客户端的典型状态转移

• 客户端通过connect系统调用主动与服务器建立连接connect系统调用首先给服务器发送一个同步报文段，使连接转移到SYN_SENT状态。
• 此后connect系统调用可能因为如下两个原因失败返回：

1、如果connect连接的目标端口不存在（未被任何进程监听），或者该端口仍被处于TIME_WAIT状态的连接所占用（见后文），则服务器将给客户端发送一个复位报文段，connect调用失败。

2、如果目标端口存在，但connect在超时时间内未收到服务器的确认报文段，则connect调用失败。

connect调用失败将使连接立即返回到初始的CLOSED状态。如果客户端成功收到服务器的同步报文段和确认，则connect调用成功返回，连接转移至ESTABLISHED状态。

当客户端执行主动关闭时，它将向服务器发送一个结束报文段，同时连接进入FIN_WAIT_1状态。若此时客户端收到服务器专门用于确认目的的确认报文段，则连接转移至FIN_WAIT_2状态。当客户端处于FIN_WAIT_2状态时，服务器处于CLOSE_WAIT状态，这一对状态是可能发生半关闭的状态。此时如果服务器也关闭连接（发送结束报文段），则客户端将给予确认并进入TIME_WAIT状态。

客户端从FIN_WAIT_1状态可能直接进入TIME_WAIT状态（不经过FIN_WAIT_2状态），前提是处于FIN_WAIT_1状态的服务器直接收到带确认信息的结束报文段（而不是先收到确认报文段，再收到结束报文段）。

处于FIN_WAIT_2状态的客户端需要等待服务器发送结束报文段，才能转移至TIME_WAIT状态，否则它将一直停留在这个状态。如果不是为了在半关闭状态下继续接收数据，连接长时间地停留在IN_WAIT_2状态并无益处。连接停留在FIN_WAIT_2状态的情况可能发生在：客户端执行半关闭后，未等服务器关闭连接就强行退出了。此时客户端连接由内核来接管，可称之为孤儿连接（和孤儿进程类似）。

Linux为了防止孤儿连接长时间存留在内核中，定义了两个内核参数：

• /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_orphans 指定内核能接管的孤儿连接数目
• /proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout 指定孤儿连接在内核中生存的时间

有限状态机

TCP协议中的三次握手和四次挥手

客户机端的三次握手和四次挥手、服务器端的三次握手和四次挥手

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 客户机端的三次握手和四次挥手
C --"发送SYN"--> S
S --"接收SYN和ACK，发送ACK"--> E
E --"发送FIN"--> F1
F1 --"接收确认，不发送任何信息"--> F2
F2 --"接收FIN，发送ACK"--> T
T --"等待30秒"--> C
end
subgraph 服务器端的三次握手和四次挥手
SC --监听--> L
L --"接收SYN，发送SYN和ACK"--> SR
SR --"接收ACK，不发送任何信息"--> SE
SE --"接收FIN，发送ACK"--> CW
CW --"发送FIN"--> LA
LA --"接收ACK，不发送任何信息"--> SC
end

原文地址：https://www.cnblogs.com/haona_li/p/10252659.html