TCP 三次握手(图解)

TCP(Transmission Control Protocol,传输控制协议)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的通信协议,数据在传输前要建立连接,传输完毕后还要断开连接。

客户端在收发数据前要使用 connect() 函数和服务器建立连接。建立连接的目的是保证IP地址、端口、物理链路等正确无误,为数据的传输开辟通道。

TCP建立连接时要传输三个数据包,俗称 三次握手(Three-way Handshaking)。可以形象的比喻为下面的对话:

  • [Shake 1] 套接字 A:“你好,套接字 B,我这里有数据要传送给你,建立连接吧。”
  • [Shake 2] 套接字 B:“好的,我这边已准备就绪。”
  • [Shake 3] 套接字 A:“谢谢你受理我的请求。”

TCP 数据报结构

我们先来看一下 TCP 数据报的结构:

TCP 数据报结构图

带阴影的几个字段需要重点说明一下:

1)序号:Seq(Sequence Number)序号占 32 位,用来标识从计算机 A 发送到计算机 B 的数据包的序号,计算机发送数据时对此进行标记。

2)确认号:Ack(Acknowledge Number)确认号占 32 位,客户端和服务器端都可以发送,Ack = Seq + 1。

3)标志位:每个标志位占用 1Bit,共有 6 个,分别为 URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN,具体含义如下:

  • URG:紧急指针(urgent pointer)有效。
  • ACK:确认序号有效。
  • PSH:接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
  • RST:重置连接。
  • SYN:建立一个新连接。
  • FIN:断开一个连接。

对英文字母缩写的总结:Seq 是 Sequence 的缩写,表示序列;Ack(ACK) 是 Acknowledge 的缩写,表示确认;SYN 是 Synchronous 的缩写,原意是“同步的”,这里表示建立同步连接;FIN 是 Finish 的缩写,表示完成。

连接的建立(三次握手)

使用 connect() 建立连接时,客户端和服务器端会相互发送三个数据包,请看下图:

TCP 数据报结构图

客户端调用 socket() 函数创建套接字后,因为没有建立连接,所以套接字处于 CLOSED 状态;服务器端调用 listen() 函数后,套接字进入 LISTEN 状态,开始监听客户端请求。

这个时候,客户端开始发起请求:

1)当客户端调用 connect() 函数后,TCP 协议会组建一个数据包,并设置 SYN 标志位,表示该数据包是用来建立同步连接的。同时生成一个随机数字 1000,填充“序号(Seq)”字段,表示该数据包的序号。完成这些工作,开始向服务器端发送数据包,客户端就进入了 SYN-SEND 状态。

2)服务器端收到数据包,检测到已经设置了 SYN 标志位,就知道这是客户端发来的建立连接的“请求包”。服务器端也会组建一个数据包,并设置 SYN 和 ACK 标志位,SYN 表示该数据包用来建立连接,ACK 用来确认收到了刚才客户端发送的数据包。

服务器生成一个随机数 2000,填充“序号(Seq)”字段。2000 和客户端数据包没有关系。

服务器将客户端数据包序号(1000)加 1,得到 1001,并用这个数字填充“确认号(Ack)”字段。

服务器将数据包发出,进入 SYN-RECV 状态。

3)客户端收到数据包,检测到已经设置了 SYN 和 ACK 标志位,就知道这是服务器发来的“确认包”。客户端会检测“确认号(Ack)”字段,看它的值是否为 1000+1,如果是就说明连接建立成功。

接下来,客户端会继续组建数据包,并设置 ACK 标志位,表示客户端正确接收了服务器发来的“确认包”。同时,将刚才服务器发来的数据包序号(2000)加 1,得到 2001,并用这个数字来填充“确认号(Ack)”字段。

客户端将数据包发出,进入 ESTABLISED 状态,表示连接已经成功建立。

4)服务器端收到数据包,检测到已经设置了 ACK 标志位,就知道这是客户端发来的“确认包”。服务器会检测“确认号(Ack)”字段,看它的值是否为 2000+1,如果是就说明连接建立成功,服务器进入 ESTABLISED 状态。

至此,客户端和服务器都进入了 ESTABLISED 状态,连接建立成功,接下来就可以收发数据了。

最后的说明

三次握手的关键是要确认对方收到了自己的数据包,这个目标就是通过“确认号(Ack)”字段实现的。计算机会记录下自己发送的数据包序号 Seq,待收到对方的数据包后,检测“确认号(Ack)”字段,看 Ack = Seq + 1是否成立,如果成立说明对方正确收到了自己的数据包。

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