TCP 三次握手 四次挥手以及滑动窗口

TCP 三次握手

简介：

TCP 是一种面向连接的单播协议，在发送数据前，通信双方必须在彼此间建立一条连接。所谓的“连接”，其实是客户端和服务器的内存里保存的一份关于对方的信息，如 IP 地址、端口号等。

TCP 可以看成是一种字节流，它会处理 IP 层或以下的层的丢包、重复以及错误问题。在连接的建立过程中，双方需要交换一些连接的参数。这些参数可以放在 TCP 头部。

TCP 提供了一种可靠、面向连接、字节流、传输层的服务，采用三次握手建立一个连接。采用四次挥手来关闭一个连接。

三次握手的目的是保证双方互相之间建立了连接。

三次握手发生在客户端连接的时候，当调用connect()，底层会通过TCP协议进行三次握手。

TCP头部结构：

** 对上图的详细介绍：**

**1. **16 位端口号（port number）：告知主机报文段是来自哪里（源端口）以及传给哪个上层协议或

应用程序（目的端口）的。进行 TCP 通信时，客户端通常使用系统自动选择的临时端口号。

2. 32 位序号（sequence number）：一次 TCP 通信（从 TCP 连接建立到断开）过程中某一个传输方向上的字节流的每个字节的编号。假设主机 A 和主机 B 进行 TCP 通信，A 发送给 B 的第一个

TCP 报文段中，序号值被系统初始化为某个随机值 ISN（Initial Sequence Number，初始序号

值）。那么在该传输方向上（从 A 到 B），后续的 TCP 报文段中序号值将被系统设置成 ISN 加上

该报文段所携带数据的第一个字节在整个字节流中的偏移。例如，某个 TCP 报文段传送的数据是字节流中的第 1025 ~ 2048 字节，那么该报文段的序号值就是 ISN + 1025。另外一个传输方向（从B 到 A）的 TCP 报文段的序号值也具有相同的含义。

3. 32 位确认号（acknowledgement number）：用作对另一方发送来的 TCP 报文段的响应。其值是收到的 TCP 报文段的序号值 + 标志位长度（SYN，FIN） + 数据长度 。假设主机 A 和主机 B 进行TCP 通信，那么 A 发送出的 TCP 报文段不仅携带自己的序号，而且包含对 B 发送来的 TCP 报文段的确认号。反之，B 发送出的 TCP 报文段也同样携带自己的序号和对 A 发送来的报文段的确认序号。

4. 4 位头部长度（head length）：标识该 TCP 头部有多少个 32 bit(4 字节)。因为 4 位最大能表示

15，所以 TCP 头部最长是60 字节。

**5. **6 位标志位包含如下几项：

   **（1）**URG 标志，表示紧急指针（urgent pointer）是否有效。 

    **（2）**ACK 标志，表示确认号是否有效。我们称携带 ACK 标志的 TCP 报文段为确认报文段。 

  **  （3）**PSH 标志，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（如果应用程序不将接收到的数据读走，它们就会一直停留在 TCP 接收缓冲区中）。 

   **  （4）**RST 标志，表示要求对方重新建立连接。我们称携带 RST 标志的 TCP 报文段为复位报文段。 

  **  （5）**SYN 标志，表示请求建立一个连接。我们称携带 SYN 标志的 TCP 报文段为同步报文段。 

  ** （6）** FIN 标志，表示通知对方本端要关闭连接了。我们称携带 FIN 标志的 TCP 报文段为结束报文段。 

    **（7）**16 位窗口大小（window size）：是 TCP 流量控制的一个手段。这里说的窗口，指的是接收通告窗口（Receiver Window，RWND）。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。

** （8）**16 位校验和（TCP checksum）：由发送端填充，接收端对 TCP 报文段执行 CRC 算法以校验TCP 报文段在传输过程中是否损坏。注意，这个校验不仅包括 TCP 头部，也包括数据部分。这也是 TCP 可靠传输的一个重要保障。

    **（9）**16 位紧急指针（urgent pointer）：是一个正的偏移量。它和序号字段的值相加表示最后一 个紧急数据的下一个字节的序号。因此，确切地说，这个字段是紧急指针相对当前序号的偏 

移，不妨称之为紧急偏移。TCP 的紧急指针是发送端向接收端发送紧急数据的方法。

三次握手流程以及解释：

下面是一张很生动形象的三次握手图：

有人可能会觉得两次握手也可以，但是客户端和服务端都要确定自己是能发数据也能收数据的，也要确定对方是否能收发数据。这样的连接才安全可靠，所以需要三次握手。

接下来确定每次握手确定了什么：

第一次握手：客户端确定了自己有发送能力。服务端确定自己有接收能力以及客户端的发送能力。

第二次握手：客户端确定了自己有接收能力以及服务端有发送和接收(能发送消息说明第一次握手成功)能力。服务端确定自己有发送能力。这里客户端自己需要的以及服务端需要的都确定好了。

第三次握手：服务端确定了客户端有接收能力。这里服务端自己需要的以及客户端需要的都确定好了。

当然也可以将第二次握手拆成两次握手（4次握手），这样也是可以的。要保证连接的可靠至少要3次握手。

注意第三次握手时发送方就可以携带一些数据了。

下方是一张时序图：

只有当ACK标记为1的时候，ack确认序号才有用。

第一次握手：
    1.客户端将SYN标志位置为1
    2.生成一个随机的32位的序号seq=J ， 这个序号后边是可以携带数据（数据的大小）

第二次握手：
    1.服务器端接收客户端的连接： ACK=1
    2.服务器会回发一个确认序号： ack=客户端的序号 + 数据长度 + SYN/FIN(按一个字节算)
    3.服务器端会向客户端发起连接请求： SYN=1
    4.服务器会生成一个随机序号：seq = K

第三次握手：
    1.客户端应答服务器的连接请求：ACK=1
    2.客户端回复收到了服务器端的数据：ack=服务端的序号 + 数据长度 + SYN/FIN(按一个字节算)

加上SYN/FIN的原因：

为了确保确认序号的准确性，包括了SYN和FIN的长度是必要的。考虑到TCP头部中标志位的长度，将它们的长度也加入确认序号的计算，可以确保在建立或关闭连接时，确认序号的值正确地表示了已经接收到的数据的范围。

序号以及确认序号：

seq = 110(3)(会随机生成)表示发送了3个字节，ack = 113。表示已经接收到了你发送的3个字节，并希望你下一次给我发送的数据的序号从113开始。这样就可以确定数据的完整性。多次发送的数据通过发送报文的序号(排列序号)来保证顺序。

漫画图：

上图中后4次表示通信过程。

TCP 四次挥手

简介：

四次挥手发生在断开连接的时候，在程序中当调用了close()会使用TCP协议进行四次挥手。

客户端和服务器端都可以主动发起断开连接，谁先调用close()谁就是发起。

因为在TCP连接的时候，采用三次握手建立的的连接是双向的，在断开的时候需要双向断开。

**漫画图： **

** 一些细节：**

为什么第二次挥手不和第三次挥手合并到一起呢？

因为当二次挥手的时候同意了对方的断开请求，但是自己还不想主动断开。因为可能还有一些数据需要处理，要等剩余的数据发送完毕才断开连接。

那么为什么三次握手的时候不分开呢？

因为建立连接是双方都愿意的事情，前面三次握手也说过三个握手也可以变为四次握手。

TCP 滑动窗口

简介：

滑动窗口（Sliding window）是一种
流量控制技术。早期的网络通信中，通信双方不会考虑网络的

拥挤情况直接发送数据。由于大家不知道网络拥塞状况，
同时发送数据，导致中间节点阻塞掉包，

谁也发不了数据，所以就有了滑动窗口机制来解决此问题。滑动窗口协议是用来改善吞吐量的一种

技术，即
容许发送方在接收任何应答之前传送附加的包。
接收方告诉发送方在某一时刻能送多少包

（称窗口尺寸）。

TCP 中采用滑动窗口来进行传输控制，滑动窗口的大小
意味着接收方还有多大的缓冲区可以用于

接收数据。发送方可以通过滑动窗口的大小来确定应该发送多少字节的数据。当滑动窗口为 0

时，发送方一般不能再发送数据报。

滑动窗口是 TCP 中实现诸如 ACK 确认、流量控制、拥塞控制的承载结构。

对于窗口的理解：

窗口理解为缓冲区的大小

滑动窗口的大小会随着发送数据和接收数据而变化。

通信的双方都有发送缓冲区和接收数据的缓冲区

服务器：

    发送缓冲区（发送缓冲区的窗口） 

    接收缓冲区（接收缓冲区的窗口） 

客户端：

    发送缓冲区（发送缓冲区的窗口） 

    接收缓冲区（接收缓冲区的窗口）

发送方的缓冲区：
    白色格子：空闲的空间
    灰色格子：数据已经被发送出去了，但是还没有被接收
    紫色格子：还没有发送出去的数据

接收方的缓冲区：
    白色格子：空闲的空间
    紫色格子：已经接收到的数据

上图虚线框一个是6k，向右滑动。

# mss: Maximum Segment Size(一条数据的最大的数据量)
# win: 滑动窗口
1. 客户端向服务器发起连接，客户端的滑动窗口是4096，一次发送的最大数据量是1460
2. 服务器接收连接情况，告诉客户端服务器的窗口大小是6144，一次发送的最大数据量是1024
3. 第三次握手
4. 4-9 客户端连续给服务器发送了6k的数据，每次发送1k
5. 第10次，服务器告诉客户端：发送的6k数据以及接收到，存储在缓冲区中，缓冲区数据已经处理了2k,窗
口大小是2k
6. 第11次，服务器告诉客户端：发送的6k数据以及接收到，存储在缓冲区中，缓冲区数据已经处理了4k,窗
口大小是4k
7. 第12次，客户端给服务器发送了1k的数据
8. 第13次，第一次挥手，客户端主动请求和服务器断开连接，并且给服务器发送了1k的数据
9. 第14次，第二次挥手，服务器回复ACK 8194, a:同意断开连接的请求 b:告诉客户端已经接受到方才发的2k的数据
c:滑动窗口2k
10.第15、16次，通知客户端滑动窗口的大小
11.第17次，第三次挥手，服务器端给客户端发送FIN,请求断开连接
12.第18次，第四次挥手，客户端同意了服务器端的断开请求