linux TCP協(xié)議的知識點(diǎn)有哪些

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1. TCP協(xié)議

1.1 TCP數(shù)據(jù)包頭

要了解三次握手和四次揮手，首先需要了解下TCP數(shù)據(jù)包頭的結(jié)構(gòu)，如下： 

• 源端口、目的端口：16位長，標(biāo)識出遠(yuǎn)端和本地的端口號；

• 序號：SEQ，32位長，標(biāo)識發(fā)送的數(shù)據(jù)包的順序，防止數(shù)據(jù)包亂序；

• 確認(rèn)號：32位長，接收方對發(fā)送方發(fā)送來的TCP報(bào)文段的響應(yīng)，其值是對收到的報(bào)文序號加1，用于解決不丟包的問題；

• TCP頭長：4位頭長，標(biāo)識tcp頭部可以有多少個(gè)32bit，即多少個(gè)4字節(jié)，因?yàn)轭^長是4位，最大能表示15，所以TCP頭部最大就是15*4等于60個(gè)字節(jié)，也就是說TCP包頭最長可以有60個(gè)字節(jié)；

• URG：表示緊急指針是否有效；

• ACK：ACK位置1表明確認(rèn)號是合法的，如果ACK為0，那么數(shù)據(jù)包不包含確認(rèn)信息，確認(rèn)字段被省略；

• PSH：提示接收端應(yīng)用程序應(yīng)該立即從TCP接收緩沖區(qū)中讀走數(shù)據(jù)，為接收后續(xù)數(shù)據(jù)騰出空間；

• RST：表示要求對方重新建立連接，用于復(fù)位由于主機(jī)崩潰或其他原因而出現(xiàn)的錯(cuò)誤的連接，還可以用于拒絕非法的數(shù)據(jù)報(bào)或拒絕連接請求；

• SYN：表示請求建立連接；

• FIN：表示通知對方要關(guān)閉連接了；

• 窗口大小：16位長，是一種流量控制的手段，這個(gè)窗口，指的是接收通告窗口，它告訴對端本端的TCP緩沖區(qū)還能容納多少字節(jié)的數(shù)據(jù)，這樣對方就可以控制發(fā)送數(shù)據(jù)的速度；

• 校驗(yàn)和：16位長，由發(fā)送端填充，接收端根據(jù)該值，校驗(yàn)接收到的TCP報(bào)文段在傳輸過程中是否損壞，校驗(yàn)包括頭部和數(shù)據(jù)部分，它是TCP可靠傳輸?shù)囊粋€(gè)重要保障；

• 緊急指針：16位長，是一個(gè)正的偏移量，它和序號相加表示最后一個(gè)緊急數(shù)據(jù)的下一個(gè)字節(jié)的序號，確切的說，它是緊急指針相對當(dāng)前序號的偏移，是發(fā)送端向接收端發(fā)送緊急數(shù)據(jù)的辦法；

• 可選項(xiàng)：TCP頭部最長可以有60個(gè)字節(jié)，而前部分已知的字段占用了20個(gè)字節(jié)，所以選項(xiàng)最多可以有40個(gè)字節(jié)，包括最大TCP載荷，窗口比例、選擇重復(fù)數(shù)據(jù)報(bào)等選項(xiàng)；

注意：TCP數(shù)據(jù)包是沒有IP地址的，只有端口

1.2 三次握手協(xié)議

在利用TCP實(shí)現(xiàn)源主機(jī)和目的主機(jī)通信時(shí)，目的主機(jī)必須同意，否則TCP連接無法建立。為了確保TCP連接的成功建立，TCP采用了一種稱為三次握手的方式，三次握手方式使得“序號/確認(rèn)號”系統(tǒng)能夠正常工作，從而使它們的序號達(dá)成同步。如果三次握手成功，則連接建立成功，可以開始傳送數(shù)據(jù)信息。 三次握手：為應(yīng)用程序提供可靠的通信連接，適合于一次傳輸大批數(shù)據(jù)的情況，并適用于要求得到響應(yīng)的應(yīng)用程序。 其三次握手分別為：

• 源主機(jī)A的TCP向主機(jī)B發(fā)送連接請求報(bào)文段，其首部中的SYN（同步）標(biāo)志位應(yīng)置為1，表示想跟目標(biāo)主機(jī)B建立連接，進(jìn)行通信，并發(fā)送一個(gè)同步序列號X（例：SEQ=100）進(jìn)行同步，表明在后面?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)時(shí)的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的序號為X+1（即101）, 此時(shí)client端狀態(tài)為SYN_SENT。

• 目標(biāo)主機(jī)B的TCP收到連接請求報(bào)文段后，如同意，則發(fā)回確認(rèn)。再確認(rèn)報(bào)中應(yīng)將ACK位置為1.確認(rèn)號為X+1，同時(shí)又向A也發(fā)送一個(gè)SYN=1，并發(fā)送一個(gè)序號Y, 此時(shí)server端狀態(tài)為SYN_RCVD。

• 源主機(jī)A的TCP收到目標(biāo)主機(jī)B的確認(rèn)后要想目標(biāo)主機(jī)B給出確認(rèn)。其ACK置為1，確認(rèn)號為Y+1，而自己的序號為X+1。TCP的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，SYN置1的報(bào)文段要消耗掉一個(gè)序號, 當(dāng)兩邊都確認(rèn)完成后，狀態(tài)改為ESTABLISHED。

運(yùn)行客戶進(jìn)程的源主機(jī)A的TCP通知上層應(yīng)用進(jìn)程，連接已經(jīng)建立。 當(dāng)源主機(jī)A向目標(biāo)主機(jī)B發(fā)送第一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文段時(shí)，其序號仍為X+1，因?yàn)榍耙粋€(gè)確認(rèn)報(bào)文段并不消耗序號。 當(dāng)運(yùn)行服務(wù)進(jìn)程的目標(biāo)主機(jī)B的TCP收到源主機(jī)A的確認(rèn)后，也通知其上層應(yīng)用進(jìn)程，連接已經(jīng)建立。至此建立了一個(gè)全雙工的連接。

1.3 tcp斷開連接四次揮手

tcp建立連接是三次，但斷開連接卻要四次，是因?yàn)閠cp是全雙工的，兩個(gè)方向上都需要進(jìn)行關(guān)閉。

• 當(dāng)主機(jī)A完成數(shù)據(jù)傳輸后,將控制位FIN置1,向主機(jī)B提出停止TCP連接的請求，狀態(tài)改為FINWAIT1，此時(shí)，該數(shù)據(jù)包中，序列號為主機(jī)B發(fā)送的上一個(gè)數(shù)據(jù)包中的確認(rèn)號值，而確認(rèn)號為主機(jī)A發(fā)送的上一個(gè)數(shù)據(jù)包中的序列號+該數(shù)據(jù)包所帶的數(shù)據(jù)的大小;

• 主機(jī)B收到FIN后對其作出響應(yīng),確認(rèn)這一方向上的TCP連接將關(guān)閉，將ACK置1，此時(shí)服務(wù)器狀態(tài)改為CLOSEWAIT， 客戶端狀態(tài)改為FINWAIT_1，此時(shí)序列號為上一步中的確認(rèn)號，確認(rèn)號為上一步中的序列號加1;

• 由B 端再提出反方向的關(guān)閉請求,將FIN置1，服務(wù)端狀態(tài)為LASTACK，客戶端狀態(tài)為TIMEWAIT，此時(shí)序列號為上一步的確認(rèn)號，確認(rèn)號為上一步的序列號加上數(shù)據(jù)包所帶數(shù)據(jù)的大小;

• 主機(jī)A對主機(jī)B的請求進(jìn)行確認(rèn),將ACK置1,雙方向的關(guān)閉結(jié)束狀態(tài)為CLOSED，此時(shí)序列號為上一步中的確認(rèn)號，確認(rèn)號為上一步中的序列號加1;

注意 ： FIN和SYN一樣，也要消耗一個(gè)序號。理論上服務(wù)器在TCP連接關(guān)閉時(shí)發(fā)送的終止數(shù)據(jù)包中，只有終止位置是1，然后客戶端進(jìn)行確認(rèn)。但是在實(shí)際的 TCP實(shí)現(xiàn)中，在終止數(shù)據(jù)包中，確認(rèn)位和終止位是同時(shí)置為1的，確認(rèn)位置為1表示對最后一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)，終止位置為1表示關(guān)閉該方向的TCP連 接。

1.4 TCP有哪些狀態(tài)

一般我們可以使用netstat查看當(dāng)前socket狀態(tài)。

• CLOSED：表示初始狀態(tài)；

• LISTEN：表示服務(wù)器端的某個(gè)socket處于監(jiān)聽狀態(tài)，可以接受連接；

• SYNSENT：三次握手時(shí)，客戶端發(fā)送第一次SYN連接請求后，狀態(tài)SYNSENT；

• SYN_RCVD：也是三次握手時(shí)服務(wù)端的一個(gè)中間狀態(tài)；

• ESTABLISHED：表示連接已經(jīng)建立，這里要說明一下，其實(shí)TCP連接并不是真的有什么東西連著在，只是說雙方都是ESTABLLISHED狀態(tài)，就說明雙方連接正常；

• FINWAIT1：已經(jīng)建立連接后，其中一方請求終止連接，四次揮手中間狀態(tài)；

• TIME_WAIT：表示收到了對方的FIN報(bào)文，并發(fā)送出了ACK報(bào)文，就等2MSL(默認(rèn)是2min)后回到CLOSED可用狀態(tài)；

• CLOSING：表示發(fā)送FIN報(bào)文后，沒有收到對方的ACK報(bào)文，反而收到了對方的FIN報(bào)文，這種情況其實(shí)就是雙方同時(shí)關(guān)閉socket；

• CLOSE_WAIT：四次揮手中間狀態(tài)，表示在等待關(guān)閉連接；

• LAST_ACK：四次揮手時(shí)被動關(guān)閉一方在發(fā)送FIN報(bào)文后，等待對方的ACK確認(rèn)報(bào)文；

• RST：同時(shí)打開和同時(shí)關(guān)閉；

1.5 TIME_WAIT為什么要等2MSL才會變?yōu)镃LOSED

有兩個(gè)原因：

• 可靠地終止TCP連接，在四次揮手的最后一步中，可能客戶端發(fā)送到服務(wù)端的確認(rèn)包丟失，服務(wù)端就會重發(fā)結(jié)束報(bào)文段，客戶端重新發(fā)起確認(rèn)報(bào)文段，而這就需要停留一段時(shí)間；

• 保證讓遲來的TCP報(bào)文段有足夠的時(shí)間被識別并丟棄，如果沒有停留一段時(shí)間，原來客戶端的端口號就可以立即被另外一個(gè)應(yīng)用程序重用，此時(shí)如果服務(wù)端有遲來的報(bào)文段，就會發(fā)到該新的應(yīng)用程序上去，而這顯然是不被允許的；

注意：報(bào)文段的生存周期是一個(gè)MSL，所以在2MSL后，不會還存在遲到的報(bào)文段。

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