问题描述

我们最近在学习网络相关的内容，TCP 自然是绕不开的技术内容，必须要学习。

该笔记将记录：与 TCP 协议相关内容，是我们的学习笔记。

解决方案

我们通过以下途径进行学习：
1）在互联网中开放的免费学习视频；
2）通过 Wireshare 抓包观察（curl https//blog.k4nz.com ⇒ ./tcp.pcapng）

初步认识

面向连接的传输层协议，提供可靠的传输服务。
端口号标识要访问的服务。
五元组来区分不同的连接：源、末网络地址，源、末端口号，协议类型

原理简述

建立连接（三次握手）

如下为 TCP 建立连接（三次握手）的文字描述，其中的数据来自于 Wireshark 抓包的结果：

0 Server
在创建连接前，Server 处于 LISTEN 状态，以准备接收来自 Client 连接请求；

1 Client ⇒ Server（第一次）
Client 向 Server 发送 SYN 数据包：SYN = 1，Sequence number = 10955578，ACK = 0，Acknowledgment number = 0；
Client 进入 SYN-SENT 状态，等待匹配的连接请求；

2 Client ⇐ Server（第二次）
Server 向 Client 发送 SYN-ACK 数据包：SYN = 1，Sequence number = 157237846，ACK = 1，Acknowledgment number = 10955579；
Server 进入 SYN-RECEIVED 状态，等待请求确认；

3 Client ⇒ Server（第三次）
Client 向 Server 发送 ACK 报文：SYN = 0，Sequence number = 10955579，ACK = 1, Acknowledgment number = 157237847；
Client 进入 ESTABLISHED 状态；

4 Server
Server 收到 ACK 报文后，进入 ESTABLISHED 状态；至此，一条全双工的连接就已经建立。

通过上述的三次报文发送，在 Client 与 Server 之间建立已知连接。

关于 ACK Number 与 SYN Number 增长：
1）在握手过程中，由于没有 Payload 部分，因此 ACK Number 与 SYN Number 每次都 +1；
2）但是在数据发送过程中，ACK Number 与 SYN Number 每次都增加数据大小；

数据发送

假如每次发送 500B 数据，Client 能够连续发送，那么：

A =>
—- Seq = M ~ M + 499
—- Seq = M + 500 ~ M + 999
—- Seq = M + 1000 ~ M + 1499

<= B
—- Ack = M + 1500

重复的 ACK 提示对端重新发送，重传机制。

对于流量控制，通过控制窗口大小（Window）实现：
1）在握手时，会通过 Window 字段，通知对方窗口大小。
2）在数据发送时，Window 包含告诉对端能够接收的窗口大小。
3）窗口大小是动态的，滑动窗口最大 65535（16-bit）

终止连接（四次挥手 / 三次挥手）

在终止连接时，任何一方都可以发起终止请求，不再区分 Server 和 Client 角色 。我们使用 Initiator 代表 发起方 ，使用 Receiver 代表 接受方：

1 Initiator ⇒ Receiver
Initiator 向 Receiver 发送 FIN 报文：Sequence Number = 10956299，ACK = 1，Acknowledgment Number = 157303540，FIN = 1；
发送之后，Initiator 进入 FIN-WAIT-1 状态：等待对端的连接终止请求，或者说连接终止请求已发送；

2 Initiator ⇐ Receiver
Receiver 向 Initiator 发送 ACK 报文：Sequence Number = 157303541，ACK = 1，Acknowledgment Number = 10956300，FIN =1；
发送之后，Receiver 进入 CLOSE-WAIT 状态：等待本地用户终止连接；

3 Initiator ⇐ Receiver
Receiver 向 Initiator 发送 FIN 报文：Sequence Number = 157303540，ACK = 1，Acknowledgment Number = 10956299，FIN = 1；
发送之后，Receiver 进入 LAST-ACK 状态：等待之前发送到远程TCP的已知连接终止请求；
接收之后，Initiator 进入 FIN-WAIT-2 状态

4 Initiator ⇒ Receiver
Initiator 向 Receiver 发送 ACK 报文：Sequence Number = 10956300，ACK = 1，Acknowledgment Number = 157303541，FIN = 1；
发送之后，Initiator 进入 TIME-WAIT 状态：等待足够的时间以确保远程TCP收到连接终止请求。

5 Receiver
接收之后，Receiver 进入 CLOSE 状态：

补充说明：

1 为 FIN 报文，2 为 FIN 的 ACK 报文；3 为 FIN 报文，4 为 FIN 的 ACK 报文；理想情况下，先进行 1 2 步骤，然后再进行 2 3 步骤。但是，有时 Initiator 与 Receiver 几乎同时发送 FIN 要求断开连接，因此 1 3 同时发生在网络上，而不是 1 2 结束之后。这也解释为什么「
3 Initiator ⇐ Receiver 的 Sequence Number = 157303540」小于「2 Initiator ⇐ Receiver 的 Sequence Number = 157303541」，因为：Receiver 在发送 对 Initiator 的 ACK 前，已经开始发送 FIN 报文了。因此正确的发包顺序是 1 3 2 4 或 1 3 4 2

此外，也可以通过三次挥手关闭连接（FIN, ACK+FIN, ACK），四次挥手只是常见的一种，各种实现上还会有所出入。

另外，服务器端收到客户端的 FIN 后，很可能还没发送完数据，所以就会先回复客户端一个 ACK 包。稍等一会儿，完成所有数据包的发送后，才会发送 FIN 包，这也就是四次挥手了。

报文格式

Sequence Number：

Acknowledge Number：用于确认收到的哪些数据。

Header length：头部长度；

Resv.:

URG & Urgent Pointer:

ACK：确认位，三次握手中 ACK = 1，

PSH：= 1，对端收到该包时，不缓存，立即交由上层处理；

RST：= 1 ，重置位，

SYN：=1，初始位，建立连接时，首个数据包为 SYN 数据包；

FIN：=1，断开连接时

Window：窗口大小，控制对端发送数据

最后总结

共计 11 种状态，算上 UNKNOWN 共计 12 种状态。

关于 Seq 与 Ack 是如何增长的？

只要发送数据包，序列号就会增长 —— 这个说法是错误的。正确的说法是”有效载荷存在，或者 SYN 设置，或者 FIN 设置，才会导致序列号增加”

在数据发送过程中，根据抓包观察，Next Seq = Seq + TCP Len，而不是 +1 得到下个序列号 。但是，在连接建立过程中，TCP Len = 0，此时 Ack 是要 +1 的。在断开连接时亦是如此，，TCP Len = 0，此时 Ack 是要 +1 的。

1）发送 SYN、FIN、payload 数据包，都会导致 Seq 增加（作为下个数据包的 Seq 值）；

2）ACK 值与上次收到的 payload 有关；

半开连接

在等待客户端响应 ACK 的 TCP 连接被称为 半开连接。

相关链接

TCP delayed acknowledgment – Wikipedia
这是针对 TCP ACK 的一种优化机制。不用每次请求都发送 ACK 数据包，而是等待特定时间（40ms）后，如果存在其他待发送数据包，则同时发送。如果不存在其他数据包，则超时后单独发送。

Nagle 算法（纳格算法）
是 TCP 协议中用于减少小包发送数量的一种优化算法，目的是为了提高实际带宽的利用率。举个例子，当有效负载只有 1 字节时，再加上 TCP 头部和 IP 头部分别占用的 20 字节，整个网络包就是 41 字节，这样实际带宽的利用率只有 2.4%（1/41）。往大了说，如果整个网络带宽都被这种小包占满，那整个网络的有效利用率就太低了。Nagle 算法正是为了解决这个问题。它通过合并 TCP 小包，提高网络带宽的利用率。Nagle 算法规定，一个 TCP 连接上，最多只能有一个未被确认的未完成分组；在收到这个分组的 ACK 前，不发送其他分组。这些小分组会被组合起来，并在收到 ACK 后，用同一个分组发送出去。

Service Name and Transport Protocol Port Number Registry

就是端口分配

参考文献

Wikipedia/Transmission Control Protocol
三次握手
How to Check TCP connections States in Linux with Netstat
Understanding TCP Sequence and Acknowledgment Numbers – PacketLife.net
38 | 案例篇：怎么使用 tcpdump 和 Wireshark 分析网络流量？