网络编程基础一：TCP/IP 协议详解

短命女 2023-07-19 05:51 91阅读 0赞

## 前言 ##

我们知道**两个进程如果需要进行通讯最基本的一个前提【能够唯一的标示一个进程****】**，在**本地进程通讯中**我们可以**使用PID来唯一标示一个进程**，但PID只在本地唯一，网络中的两个进程PID冲突几率很大，这时候我们需要另辟它径了，我们知道IP层的**ip地址可以唯一标示主机**，而**TCP层协议和端口号可以唯一标示主机的一个进程**，这样我们可以**利用ip地址＋协议＋端口号唯一标示网络中的一个进程。**能够唯一标示网络中的进程后，它们就可以利用socket进行通信了。

**什么是socket呢？**我们经常把socket翻译为套接字，**实际上socket是对TCP/IP协议的封装，socket是在应用层和传输层之间的一个抽象层，是一组调用接口（TCP/IP网络的API函数）**供应用层调用已实现进程在网络中通信。

## **一、网络协议** ##

国际标准化组织（International Standard Organization,ISO）公布了开放系统互连参考模型（OSI/RM）。OSI/RM是一种分层的体系结构，参考模型共有7层。  
TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)作为Internet的核心协议。它是个协议族，包含多种协议。  
分层的基本想法是每一层都在它的下层提供的服务基础上提供更高级的增值服务，而最高层提供能运行分布式应用程序的服务。  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L01yX2xpc2o_size_16_color_FFFFFF_t_70][]  
发送请求的过程是从最顶层（应用层）出发，每一层负责封装属于自己的信息到请求中，最后将一整个请求发送给对方。  
接收请求的过程是从最底层（网络接口层）开始，每一层的协议负责解析属于自己的东西，比如网际层（IP）处理ip信息，传输层（TCP）处理点对点的端口，应用层（HTTP）处理Request或Response的Line\\Header\\Body。

## **二、TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）** ##

**TCP是一种**【**面向连接（连接导向）的**】【**可靠的**】【**基于字节流的**】**传输层通信协议**。TCP将用户数据打包成报文段，它发送后启动一个定时器，另一端收到的数据进行确认、对失序的数据重新排序、丢弃重复数据。  
TCP的特点有：

*  TCP是面向连接的运输层协议
 *  每一条TCP连接只能有两个端点，每一条TCP连接只能是点对点的
 *  TCP提供可靠交付的服务
 *  TCP提供全双工通信。数据在两个方向上独立的进行传输。因此，连接的每一端必须保持每个方向上的传输数据序号。
 *  面向字节流。面向字节流的含义：虽然应用程序和TCP交互是一次一个数据块，但TCP把应用程序交下来的数据仅仅是一连串的无结构的字节流。

### **1、TCP头格式** ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L01yX2xpc2o_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

### **2、TCP 报文结构** ###

**TCP 是面向字节流的，但传送的数据单元却是报文段。**

**什么是报文？**  
例如一个 100kb 的 HTML 文档需要传送到另外一台计算机，并不会整个文档直接传送过去，可能会切割成几个部分，比如四个分别为 25kb 的数据段。而每个数据段再加上一个 TCP 首部，就组成了 TCP 报文。  
一共四个 TCP 报文，发送到另外一个端。另外一端收到数据包，然后再剔除 TCP 首部，组装起来。等到四个数据包都收到了，就能还原出来一个完整的 HTML 文档了。

在 OSI 的七层协议中，第二层（数据链路层）的数据叫「Frame」，第三层（网络层）上的数据叫「Packet」，第四层（传输层）的数据叫「Segment」。

TCP 报文 (Segment)，包括首部和数据部分。

![20200329221719528.png][]

**而 TCP 的全部功能都体现在它首部中各字段的作用，只有弄清 TCP 首部各字段的作用才能掌握 TCP 的工作原理。**  
TCP 报文段首部的前20个字节是固定的，后面有 4N 字节是根据需要而增加的。  
下图是把 TCP 报文中的首部放大来看。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L01yX2xpc2o_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

**TCP 的首部包括以下内容：**

1.  源端口 source port
2.  目的端口 destination port
3.  序号 sequence number 用于在**数据通信中解决网络包乱序（reordering）问题**，以保证应用层接收到的数据不会因为网络上的传输问题而乱序（TCP会用这个顺序号码来拼接数据），32bit。
4.  确认号 acknowledgment number 是**数据接收方期望收到发送方在下一个报文段的顺序号码（Seq）**，因此确认号码应当是上次已成功收到顺序号码（Seq）加1，32bit。
5.  数据偏移 offset 用于存储报文头中有多少个32bit(上图的一行)，存储长度为4bit，最大可表示（2^3+2^2+2^1+1）\*32bit=60bytes的报文头。最小取值5，5\*32bit=20bytes。
6.  保留 reserved
7.  **标志位 tcp flags  TCP Flags（TCP标志位）每个长度均为1bit**  
     CWR：压缩，TCP Flags值0x80。  
     ECE：拥塞，0x40。  
     URG：紧急，0x20。当URG=1时，表示报文段中有紧急数据，应尽快传送。  
     **ACK：确认，0x10。当ACK = 1时，代表这是一个确认的TCP包，取值0则不是确认包。**  
     PSH：推送，0x08。当发送端PSH=1时，接收端尽快的交付给应用进程。  
     RST：复位，0x04。当RST=1时，表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，再重新建立连接。  
    **SYN：同步，0x02。在建立连接是用来同步序号。SYN=1， ACK=0表示一个连接请求报文段。 SYN=1，ACK=1表示同意建立连接。**  
    **FIN：终止，0x01。当FIN=1时，表明此报文段的发送端的数据已经发送完毕，并要求释放传输连接。**
8.  窗口大小 window size
9.  检验和 checksum
10. 紧急指针 urgent pointer
11. 选项 tcp options

# **3、TCP 首部各字段的意义和作用** #

### **源端口和目的端口 Port** ###

各占 2 个 字节，共 4 个字节。  
**用来告知主机该报文段是来自哪里以及传送给哪个应用程序（应用程序绑定了端口）的。**  
进行 TCP 通讯时，客户端通常使用系统自动选择的临时端口号，而服务器则使用知名服务端口号。

### **序号 Sequence Number** ###

占 4 个字节。  
TCP 是面向字节流的，在一个 TCP 连接中传输的字节流中的每个字节都按照顺序编号。  
例如 **100 kb 的 HTML 文档数据，一共 102400 (100 \* 1024) 个字节，那么每一个字节就都有了编号，整个文档的编号的范围是 0 ~ 102399。**

**序号字段值指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。**  
那么 100 的 HTML 文档分割成四个等分之后，  
第一个 TCP 报文段包含的是第一个 25kb 的数据，0 ~ 25599 字节， 该报文的序号的值就是：0  
第二个 TCP 报文段包含的是第二个 25kb 的数据，25600 ~ 51199 字节，该报文的序号的值就是：25600  
......

根据 8 位 = 1 字节，那么 4 个字节可以表示的数值范围：\[0, 2^32\]，一共 2^32 (4294967296) 个序号。  
序号增加到最大值的时候，下一个序号又回到了 0.  
也就是说 TCP 协议可对 4GB 的数据进行编号，在一般情况下可保证当序号重复使用时，旧序号的数据早已经通过网络到达终点或者丢失了。

### **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【重点】** ###

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。

**紧急 URG (Urgent)**

当 URG = 1 的时候，表示紧急指针（Urgent Pointer）有效。  
它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传送，而不要按原来的排队顺序来传送。  
URG 要与首部中的 紧急指针 字段配合使用。

**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」。  
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。

# 三、**TCP 建立连接【重点】** #

TCP 的整个交流过程可以总结为：先建立连接，然后传输数据，最后释放链接。

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TCP 连接建立要解决的首要问题就是：**要使每一方能够确知对方的存在。**

三次握手就像，在一个黑暗的森林，你知道前方十点钟方向好像有人。  
你喊了一句：Hello？I'am JerryC，Who are you？  
对面回了一句：Hi! I'am David, and nice to meet you!  
然后你回了一句：Nice to meet you too!  
......(自此，你们才算真正认识了双方，开始了后面省略3000字的谈话)

所以说，两个人需要交朋友（两个端点需要建立连接），至少需要三次的通话（握手）

其实，网络上的传输是没有连接的，TCP 也是一样的。  
而 TCP 所谓的「连接」，其实只不过是在通信的双方维护一个「连接状态」，让它看上去好像有连接一样。

### **三次握手连接建立过程** ###

TCP 连接的建立采用客户服务器方式，主动发起连接建立的一方叫**客户端（Client）**，被动等待连接建立的一方叫**服务器（Server）**。

最初的时候，两端都处于 **CLOSED** 的状态，然后服务器打开了 TCP 服务，进入 **LISTEN** 状态，监听特定端口，等待客户端的 TCP 请求。

**特别注意**

**Seq：是发送方当前报文的顺序号码。  
ack：是发送方期望对方在下次返回报文中给回的Seq。**

**建立连接需要三次握手**

**第一次握手**：客户端向服务端发送连接请求包，标志位SYN（同步序号）置为1，顺序号码为X=0。然后进入 **SYN\_SEND** 状态，等待服务器发回确认报文。TCP 规定，SYN 报文段不能携带数据，但会消耗一个序号。

**第二次握手**：服务端收到客户端发过来报文，由SYN=1知道客户端要求建立联机，则为这次连接分配资源。并向客户端发送一个SYN和ACK都置为1的TCP报文，设置初始顺序号码Y=0，将确认序号(ack)设置为上一次客户端发送过来的顺序号(Seq)加1，即X+1 = 0+1=1。 *(服务器收到了 SYN 报文，如果同意建立连接，则向客户端发送一个确认报文，然后服务器进入* ***SYN\_RCVD*** *状态。**)*

**第三次握手**：客户端收到服务端发来的包后检查确认号码(ack)是否正确，即第一次发送的Seq加1（X+1=1）。以及标志位ACK是否为1。若正确，服务端再次发送确认包，ACK标志位为1，SYN标志位为0。确认号码(ack)=Y+1=0+1=1，发送顺序号码(Seq)为X+1=1。Server收到后确认号码值与ACK=1则连接建立成功，可以传送数据了。(*客户端收到了服务器发过来的确认报文，还要向服务器给出确认，然后进入* ***ESTABLISHED*** *状态。*) ESTABLISHED的意思是**建立连接。表示两台机器正在通信**。

对于建立连接的三次握手，主要目的是初始化序号 Sequence Number，并且通信的双方都需要告知对方自己的初始化序号，所以这个过程也叫 SYN。  
这个序号要作为以后的数据通信的序号，以保证应用层接收到的数据不会因为网络上的传输问题而乱序，因为TCP 会用这个序号来拼接数据。

### **断开连接需要四次挥手** ###

提醒：中断连接端可以是Client端，也可以是Server端。只要将下面两角色互换即可。  
第一次挥手：客户端给服务端发送FIN报文，用来关闭客户端到服务端的数据传送。将标志位FIN和ACK置为1，顺序号码为X=1，确认号码为Z=1。意思是说”我Client端没有数据要发给你了，但是如果你还有数据没有发送完成，则不必急着关闭Socket，可以继续发送数据。所以你先发送ACK过来。”

第二次挥手：服务端收到FIN后，发回一个ACK(标志位ACK=1),确认号码为收到的顺序号码加1，即X=X+1=2。顺序号码为收到的确认号码=Z。意思是说“你的FIN请求我收到了，但是我还没准备好，请继续你等我的消息" 这个时候客户端就进入FIN\_WAIT状态，继续等待服务端的FIN报文。

第三次挥手：当服务端确定数据已发送完成，则向客户端发送FIN报文，关闭与客户端的连接。标志位FIN和ACK置为1，顺序号码为Y=1，确认号码为X=2。意思是告诉Client端“好了，我这边数据发完了，准备好关闭连接了。”

第四次挥手：客户端收到服务器发送的FIN之后，发回ACK确认(标志位ACK=1),确认号码为收到的顺序号码加1，即Y+1=2。顺序号码为收到的确认号码X=2。意思是“我Client端知道可以关闭连接了，但是我还是不相信网络，怕 Server端不知道要关闭，所以发送ACK后进入TIME\_WAIT状态，如果Server端没有收到ACK则可以重传。Client端等待了2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那好，我Client端也可以关闭连接了。“（在TIME\_WAIT状态中，如果TCP client端最后一次发送的ACK丢失了，它将重新发送。TIME\_WAIT状态中所需要的时间是依赖于实现方法的。典型的值为30秒、1分钟和2分钟。等待之后连接正式关闭，并且所有的资源(包括端口号)都被释放。）

**为什么关闭的时候却是四次挥（握）手？**  
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。

补充：

TCP 用一个 16 位端口号来标识一个端口，可允许有 65536 ( 2的16次方) 个不同的端口号，范围在 0 ~ 65535 之间。其中0-1023为系统占用端口。

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