TCP协议之<你好——再见>

1：TCP协议简介

2：TCP协议报头的结构分析

3：TCP协议三次握手

4：TCP协议四次挥手

5：抓包实验过程呈现

一、TCP协议简介

作为TCP/IP协议栈的核心协议之一，TCP协议早已成为可靠数据传输的首选协议之一，众多的协议都是基于TCP协议之上的，例如：远程连接协议Telnet、ssh协议、http协议等。

TCP传输控制协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，在1981年由IETF的RFC793正式提出。

TCP协议的特性有：工作在传输层的面向连接的协议、全双工协议、半关闭、错误检查、数据打包成段为报文进行排序、确认机制、错误检查、恢复重传、流量控制、拥塞控制四部分：慢启动、拥塞控制、快速重传和快速恢复。

TCP的主要功能是在互联网中为提供可靠的、面向连接的进程间通信服务。其基本的功能如下：

1）基本数据传输

    TCP能够在通信双方间的每个方向（即全双工）传送一个连续的字节流，并将一定数量的字节封装成段然后通过互联网传输。

2）可靠性

    TCP能够将数据从损坏、丢失、重复、乱序中恢复。

3）流控制

    TCP能为数据发送者提供控制发送数据数量的手段。

4）复用

    　允许一个主机内的多个进程同时使用TCP。

5）面向连接

TCP是面向连接的协议，意味着通信双方必须先建立连接，然后才能传输数据，数据传输结束后必须关闭连接。使用面向连接的方式提供服务使得TCP能够通过保存连接信息等手段，更好地提供可靠数据交付。这意味着TCP无法支持多播，多播只能使用UDP一类无连接的协议来完成。

二、TCP报头的结构分析

TCP最重要的特性就是其传输的可靠性，要想连接TCP的可靠传输过程，那我们必须先从TCP报文头部的结构分析入手。接下来由小编带大家参观一下TCP报文的头部。

对TCP报文首部的字段进行解读：

源端口 ：本机应用进程端口

目的端口：目的主机应用进程端口

序列号：主机发送的数据报的序号（第几个）

确认号：发送给对方下次要发送的数据报的序列号（暗示上个数据帧已经接收到了）

数据偏移：指数据报中的数据在本报文中的起始位置，反过来也就是TCP头部的长度。TCP报文头部是以4个字节为单位的，数据偏移位为四个字节，虽大表示15，所以最大能表示TCP报文头部的长度为15*4=60字节。报文的选项位是可以不要的，所最小的长度是20字节。

保留位：顾名思义，正在保留。

URG：表示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：表示是否前面的确认号字段是否有效。ACK=1，表示有效。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。（ack小写表示确认号）

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：表示现在充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

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40字节

最大报文段长度：Maxium Segment Size，MSS

指明自己期望对方发送TCP报文段时那个数据字段的长度。默认是536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。

窗口扩大：Windows Scaling

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。

时间戳： Timestamps

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。

三、TCP三次握手

通过对上面TCP报文首部的字段进行了一些认识，接下来跟随小编去看看TCP是如何进行连接的。废话不多说，直接上图解释：

在TCP三次握手的建立中，主动发出请求的一方称为客户端，被动提供服务的一方是服务器端。从图中，我们可以看出，在整个建立连接的过程中，客户端和服务器端共有5种状态：Closed 、LISTEN、SYN-SENT、SYN-RCVD、ESTAB-LISHED。

CLOSED 没有任何连接状态

LISTEN 侦听状态，等待来自远方TCP端口的连接请求

SYN-SENT 在发送连接请求后，等待对方确认

SYN-RECEIVED 在收到和发送一个连接请求后，等待对方确认

ESTABLISHED 代表传输连接建立，双方进入数据传送状态

整个传输过程如下：

请求方发送请求建立连接的报文，报文中携带的标志位SYN=1，seq=0，ACK=0,由上面我们了解到SYN标志位为同步标志位，表明，客户端要与服务器建立连接，seq=0是携带包的序列号，因为这是传输过程中的第一个包，所以没有ack的值，在首次请求的时候，这是ACK标志位唯一一次等于0的时候，因为，TCP协议规定，在建立连接后，ACK标志位，必须为1。

请求端发送完请求之后，立马进入SYN-SENT 状态进行同步等待，而处于监听状态的服务器端接收到请求后，如果条件满足，就给客户端回应一个统一进入同步状态的报文，并立即进入SYN-RCVD状态。

客户端收到服务器的同意建立连接报文后，再给服务器反馈一个确认收到的报文，并立即进入ESTAB-LISHED状态。

服务器收到客户的确认后，立马进入ESTAB-LISHED。

在发送建立连接的报文中需要将SYN标志位标记为1，在确认报文中，并不需要SYN，但必须要使ACK=1。

四、TCP协议四次挥手

有聚必有散，在双方都进行传输完成后，需要断开连接，同样的为了体现TCP的可靠性，断开连接的时候也不能草草断开，必须确保双方都同意了断开，并确认断开才行。不废话，上图说明：

看到没，建立连接容易，可是断开可不是那么简单，所谓的有始有终，也许正是TCP的体现吧。猛地看去貌似有些乱，但是仔细的分析一下发现，断开的过程中一共有ESTAB-LISHED、FIN-WAIT1、FIN-WAIT2、CLOSE-WAIT、LAST-ACK、TIME-WAIT、CLOSED七种状态。

CLOSED 没有任何连接状态

FIN-WAIT-1 主动关闭,主机已发送关闭连接请求，等待对方确认

FIN-WAIT-2主动关闭,主机已收到对方关闭传输连接确认，等待对方发送关闭传输连接请求

TIME-WAIT 完成双向传输连接关闭，等待所有分组消失

CLOSE-WAIT 被动关闭,收到对方发来的关闭连接请求，并已确认

LAST-ACK 被动关闭,等待最后一个关闭传输连接确认，并等待所有分组消失

CLOSING 双方同时尝试关闭传输连接，等待对方确认

过程说明：

当一方觉得没什么服务需要的时候，请求断开连接，发送的报文中携带的FIN标志位为1，表示这是一个终结会话的报文。

当服务器收到后，一看这是一个请求断开连接的报文，这个时候服务器就会考虑，看是否还有数据需要发送或者正在发送，这个时候分两种情况，我们先说一种，另一种，在下文进行说明，当服务器还有数据需要发送或者正在发送的时候，服务器给客户端发送一个确认收到断开连接请求的报文，这个报文是不携带标志位FIN=1的，因为，只是一个确认收到客户端信息的报文，并没有同意立马断开，因为服务器有数据正在传输。

当客户端收到服务器的确认报文后，一看报文中标志位FIN没有为1，说明服务器可能还没传输完毕，于是，客户端就进入FIN-WAIT2阶段进行等待。

当服务器数据传输完毕之后，会主动向客户端发送请求断开连接的报文，并携带标志位FIN=1 的报文，这个时候服务器进入LAST-ACK（最后确认阶段），它要等客户端收到我的请求后才能断开呀，所以进入最后的确认等待阶段。

客户端收到断开连接的报文后，立马发送确认报文，确认收到了服务器的断开请求，携带标志位ACK=1的报文，并立即进入最后的TIME-WAIT阶段，这个阶段时长为两个最大传输时长（2MSL），是为了确保正在路上的数据包在断开接收端口之前能全部到达。计时一到就关闭。

服务器端收到客户端的确认报文后立即进入关闭状态，一个完整的TCP连接正式结束。

额外补充：

如果客户端和服务器端同时发送请求断开连接报文，就会同时进入closeing状态。发送确认报文，进行断开，中间的FIN-WAIT2阶段会省略。

五、抓包实验过程呈现

到这里，一个完整的TCP连接建立并且成功断开。接下来小编带你去捉几个包看看，验证这个过程，废话不说，截图为证：

    三次握手的包，头两个包带有标志位SYN=1，最后一个位ACK=1进行确认。

    哈哈，看吧，是不是与文中介绍的对上号了呢。说明这个实验是一个完美的实验，每一步都非常的准确。到这里，小编的实验就结束了，如果有什么不足的地方，请多多指教，如果你有疑问，小编很乐于帮助你解答疑惑。