五、TCP报文

数据包

IP 数据包在以太网数据包的负载里面，TCP数据包在IP数据包的负载里。

TCP 首部各字段的意义和作用

TCP首部最小为20字节，这20字节分为5行，每行4个字节也就是32个位。

源端口和目的端口 Port

• 源端口号：16位的源端口中包含初始化通信的端口。源端口和源IP地址的作用是标识报文的返回地址。
• 目的端口号：16位的目的端口域定义传输的目的。这个端口指明报文接收计算机上的应用程序地址接口。计算机通过端口号识别访问哪个服务,比如http服务或ftp服务，发送方端口号是进行随机端口，目标端口号决定了接收方哪个程序来接收 分别占用16位，也就是端口号最大是2^16，所以端口号的范围是0~65536

端口号的分配：

• 知名端口号一般位于：1 — 255 之间
• 256 — 1023的端口号，通常是由Unix系统占用（系统占用）
• 1024 —5000 是大多数TCP、IP实现的临时分配
• 大于5000的一般是给其他服务预留的（Internet上并不常用的服务）

序号 Sequence Number

TCP用序列号对数据包进行标记，以便在到达目的地后重新重装，假设当前的序列号为 s，发送数据长度为 l，则下次发送数据时的序列号为 s + l。在建立连接时通常由计算机生成一个随机数作为序列号的初始值。

确认号 Acknowledgemt Number

占 4 个字节，表示期望收到对方下一个报文段的序号值。 TCP 的可靠性，是建立在「每一个数据报文都需要确认收到」的基础之上的。

就是说，通讯的任何一方在收到对方的一个报文之后，都要发送一个相对应的「确认报文」，来表达确认收到。 那么，确认报文，就会包含确认号。 例如，通讯的一方收到了第一个 25kb 的报文，该报文的 序号值=0，那么就需要回复一个确认报文，其中的确认号 = 25600.

数据偏移 Offset

占 0.5 个字节 (4 位)。 这个字段实际上是指出了 TCP 报文段的首部长度 ，它指出了 TCP报文段的数据起始处 距离 TCP报文的起始处 有多远。（注意 数据起始处 和 报文起始处 的意思）

一个数据偏移量 = 4 byte，由于 4 位二进制数能表示的最大十进制数字是 15，因此数据偏移的最大值是 60 byte，这也侧面限制了 TCP 首部的最大长度。

保留 Reserved

占 0.75 个字节 (6 位)。 保留为今后使用，但目前应置为 0。

标志位 TCP Flags

标志位，一共有 6 个，分别占 1 位，共 6 位 。 每一位的值只有 0 和 1，分别表达不同意思。

• ACK：确认序号有效
• RST：重置连接
• SYN：发起了一个新连接
• FIN：释放一个连接

确认 ACK (Acknowlegemt)

当 ACK = 1 的时候，确认号（Acknowledgemt Number）有效。 一般称携带 ACK 标志的 TCP 报文段为「确认报文段」。为0表示数据段不包含确认信息，确认号被忽略。

TCP 规定，在连接建立后所有传送的报文段都必须把 ACK 设置为 1。

推送 PSH (Push)

当 PSH = 1 的时候，表示该报文段高优先级，接收方 TCP 应该尽快推送给接收应用程序，而不用等到整个 TCP 缓存都填满了后再交付。

复位 RST (Reset)

当 RST = 1 的时候，表示 TCP 连接中出现严重错误，需要释放并重新建立连接。 一般称携带 RST 标志的 TCP 报文段为「复位报文段」。

同步 SYN (SYNchronization)

当 SYN = 1 的时候，表明这是一个请求连接报文段。 一般称携带 SYN 标志的 TCP 报文段为「同步报文段」。 在 TCP 三次握手中的第一个报文就是同步报文段，在连接建立时用来同步序号。

对方若同意建立连接，则应在响应的报文段中使 SYN = 1 和 ACK = 1。

终止 FIN (Finis)

当 FIN = 1 时，表示此报文段的发送方的数据已经发送完毕，并要求释放 TCP 连接。

一般称携带 FIN 的报文段为「结束报文段」。

在 TCP 四次挥手释放连接的时候，就会用到该标志。

窗口大小 Window Size

占 2 字节。

该字段明确指出了现在允许对方发送的数据量，它告诉对方本端的 TCP 接收缓冲区还能容纳多少字节的数据，这样对方就可以控制发送数据的速度。 窗口大小的值是指，从本报文段首部中的确认号算起，接收方目前允许对方发送的数据量。

例如，假如确认号是 701 ，窗口字段是 1000。这就表明，从 701 号算起，发送此报文段的一方还有接收 1000 （字节序号是 701 ~ 1700） 个字节的数据的接收缓存空间。

校验和 TCP Checksum

占 2 个字节。 由发送端填充，接收端对 TCP 报文段执行 CRC 算法，以检验 TCP 报文段在传输过程中是否损坏，如果损坏这丢弃。

检验范围包括首部和数据两部分，这也是 TCP 可靠传输的一个重要保障。

紧急指针 Urgent Pointer

占 2 个字节。 仅在 URG = 1 时才有意义，它指出本报文段中的紧急数据的字节数。 当 URG = 1 时，发送方 TCP 就把紧急数据插入到本报文段数据的最前面，而在紧急数据后面的数据仍是普通数据。

因此，紧急指针指出了紧急数据的末尾在报文段中的位置。

六、三次握手，四次挥手

需要了解的信息：

• ACK ： TCP协议规定，只有ACK=1时有效，也规定连接建立后所有发送的报文的ACK必须为1
• SYN(SYNchronization) ： 在连接建立时用来同步序号。当SYN=1而ACK=0时，表明这是一个连接请求报文。对方若同意建立连接，则应在响应报文中使SYN=1和ACK=1. 因此, SYN置1就表示这是一个连接请求或连接接受报文。
• FIN （finis）即完，终结的意思， 用来释放一个连接。当 FIN = 1 时，表明此报文段的发送方的数据已经发送完毕，并要求释放连接。

三次握手 建立连接

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是 面向连接的协议，也就是说在收发数据之前，必须先和对方建立连接

一个TCP连接必须要经过三次“对话”才能建立起来，其中的过程非常复杂，只简单的 描述下这三次对话的简单过程：主机A向主机B发出连接请求数据包：“我想给你发数据，可以吗？”，这是第一次对话；主机B向主机A发送同意连接和要求同步 （同步就是两台主机一个在发送，一个在接收，协调工作）的数据包：“可以，你什么时候发？”，这是第二次对话；主机A再发出一个数据包确认主机B的要求同 步：“我现在就发，你接着吧！”，这是第三次对话。三次“对话”的目的是使数据包的发送和接收同步，经过三次“对话”之后，主机A才向主机B正式发送数 据。

首先由Client发出请求连接即 SYN=1 ACK=0 (请看头字段的介绍), TCP规定SYN=1时不能携带数据，但要消耗一个序号,因此声明自己的32位序号是 seq=x，然后 Server 进行回复确认，即 SYN=1 ACK=1 seq=y, ack=x+1, 再然后 Client 再进行一次确认，但不用SYN 了，这时即为 ACK=1, seq=x+1, ack=y+1.

四次挥手 释放连接

当客户A 没有东西要发送时就要释放 A 这边的连接，A会发送一个报文（没有数据），其中 FIN 设置为1, 服务器B收到后会给应用程序一个信，这时A那边的连接已经关闭，即A不再发送信息（但仍可接收信息）。 A收到B的确认后进入等待状态，等待B请求释放连接， B数据发送完成后就向A请求连接释放，也是用FIN=1 表示， 并且用 ack = u+1(如图）， A收到后回复一个确认信息，并进入 TIME_WAIT 状态， 等待 2MSL 时间。

关于 TIME_WAIT 过渡到 CLOSED 状态说明： 从 TIME_WAIT 进入 CLOSED 需要经过 2MSL，其中 MSL 就叫做 最长报文段寿命（Maxinum Segment Lifetime），根据 RFC 793 建议该值这是为 2 分钟，也就是说需要经过 4 分钟，才进入 CLOSED 状态。

为什么要等待呢？

为了这种情况： B向A发送 FIN = 1 的释放连接请求，但这个报文丢失了， A没有接到不会发送确认信息， B 超时会重传，这时A在 WAIT_TIME 还能够接收到这个请求，这时再回复一个确认就行了。（A收到 FIN = 1 的请求后 WAIT_TIME会重新记时）

另外服务器B存在一个保活状态，即如果A突然故障死机了，那B那边的连接资源什么时候能释放呢？ 就是保活时间到了后，B会发送探测信息， 以决定是否释放连接

为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手？

答：因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，”你发的FIN报文我收到了”。只有等到我Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。