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TCP数据报

backend 2025/5/7 10:42:05

三次握手（Three-Way Handshake）

是 TCP 协议中用于建立可靠连接的过程。通过三次握手，客户端和服务器能够确认彼此的存在，并且同步各自的初始序列号，为后续的数据传输做好准备。三次握手确保了双方在正式传输数据前能够建立一个可靠的连接。

三次握手的步骤：

第一次握手（客户端 -> 服务器）：
- 客户端发送一个 SYN（同步）请求数据包，表示希望与服务器建立连接。客户端选择一个初始序列号（ISN，Initial Sequence Number），并将其附带在请求包中。
- 数据包内容：
  - SYN = 1：表示请求建立连接。
  - seq = x：表示客户端选择的初始序列号。
这时，客户端的状态为 SYN_SENT（已发送连接请求）。
第二次握手（服务器 -> 客户端）：
- 服务器收到客户端的 SYN 包后，如果同意连接，会发送一个带有 SYN 和 ACK（确认）标志的数据包作为响应。服务器也会选择自己的初始序列号，并将客户端的序列号加1作为 ACK 值，确认收到客户端的请求。
- 数据包内容：
  - SYN = 1：表示服务器同意建立连接。
  - ACK = 1：表示确认客户端的请求。
  - seq = y：表示服务器选择的初始序列号。
  - ack = x + 1：表示确认收到客户端的序列号（客户端的初始序列号加 1）。
服务器的状态变为 SYN_RECEIVED（接收到连接请求）。
第三次握手（客户端 -> 服务器）：
- 客户端收到服务器的 SYN+ACK 包后，向服务器发送一个确认包，表示自己已准备好数据传输。客户端将服务器的序列号加1作为 ACK 值，确认服务器的序列号。
- 数据包内容：
  - ACK = 1：表示确认服务器的响应。
  - seq = x + 1：表示客户端的序列号加 1。
  - ack = y + 1：表示确认收到服务器的序列号（服务器的初始序列号加 1）。
客户端的状态变为 ESTABLISHED（连接已建立）。
连接建立完毕：
- 在第三次握手完成后，客户端和服务器之间的连接建立成功，双方可以开始数据传输。

三次握手的目的：

确保双方都能接收到对方的序列号：三次握手的过程确保了客户端和服务器都知道彼此的初始序列号，从而可以确保后续数据传输的顺序正确。
确认双方都准备好进行数据传输：通过交换同步信号（SYN）和确认信号（ACK），双方确认都已经准备好开始数据传输。
防止旧连接数据的干扰：三次握手通过序列号和确认号的机制，确保旧的连接数据不会干扰新连接的建立。

举个例子：

假设你想和朋友通过电话建立通话，三次握手可以类比为：

第一次握手：你拨通电话，告诉朋友“我想和你通话”，这就是你发出的 SYN 请求。
第二次握手：朋友接到电话，确认可以和你通话并说“我也准备好了”，这是朋友发出的 SYN+ACK 响应。
第三次握手：你听到朋友的回复后确认“好的，我也准备好了，现在开始通话”，这就是你发出的 ACK 确认。

在三次确认后，电话通话就正式开始了，类似于 TCP 连接的建立完成，双方可以开始交换数据。

  0                   1                   2                   30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|          源端口号（16位）     |        目标端口号（16位）     |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|                        序列号（32位）                         |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|                      确认号（32位）                          |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+| 数据偏移 |保留|URG|ACK|PSH|RST|SYN|FIN|     窗口大小（16位）  |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|         校验和（16位）        |       紧急指针（16位）        |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|                        可选项（可变）                         |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|                          数据（可变）                         |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

字段	长度（位）	说明
源端口号（Source Port）	16	发送方应用程序的端口号
目的端口号（Destination Port）	16	接收方应用程序的端口号
序列号（Sequence Number）	32	本段数据的第一个字节在整个字节流中的编号
确认号（Acknowledgment Number）	32	期望接收的下一个字节的序号（如果ACK标志置位）
数据偏移（Data Offset）	4	TCP首部长度（以4字节为单位）
保留（Reserved）	3	保留，置0
控制位（Flags）	9	标志位（URG, ACK, PSH, RST, SYN, FIN等）
窗口大小（Window Size）	16	告诉对方自己还能接收多少字节
校验和（Checksum）	16	用于检验数据在传输过程中是否出错
紧急指针（Urgent Pointer）	16	如果URG位为1，表示紧急数据的结束位置
选项（Options）	可变	可选字段，比如窗口扩大因子、时间戳等
填充（Padding）	可变	为了保证TCP首部是32位（4字节）对齐

序列号

假设发送方的初始序列号是 1000，发送了以下 4 个数据段：

第一个数据段，发送字节 1 到字节 1000，序列号为 1000。
第二个数据段，发送字节 1001 到字节 2000，序列号为 1001。
第三个数据段，发送字节 2001 到字节 3000，序列号为 2001。
第四个数据段，发送字节 3001 到字节 4000，序列号为 3001。

确认号

确认号的作用：

确认数据接收：接收方通过确认号告诉发送方，它已经成功接收了哪些数据。比如，如果接收方成功接收到序列号为 1000 到 1007 的数据，接收方会返回一个确认号 1008，表示它希望接收下一个序列号为 1008 的数据。
丢包检测：如果发送方在一定时间内没有收到确认号，它就知道可能发生了数据丢失，会重新发送数据。比如，如果发送方在规定时间内没收到确认号 1008，它就会重发序列号为 1000 到 1007 的数据。
确保数据顺序：即使数据包乱序到达，接收方也能通过确认号告诉发送方下一个期望的字节序列号，让发送方知道数据是否按顺序到达。

举个例子：

假设你发送的数据的序列号是从 1000 开始：

你发送了字节 1000 到 1007 的数据，接收方收到这些数据后，它会返回一个确认号 1008，表示接收方已经成功接收了序列号小于 1008 的数据，期待下一个序列号为 1008。
如果接收方只收到字节 1000 到 1003，未收到字节 1004 到 1007，它会继续等待并不会返回 1008，而是会继续要求重传缺失的部分，直到接收到完整的数据。

数据偏移（Data Offset）

是 TCP 头部中的一个字段，用来指示 TCP 头部的长度，即数据部分从哪里开始。数据偏移字段是一个 4 位的数，表示 TCP 头部的长度，单位是 32 位（4 字节）。

假设你有一个 TCP 数据包，它的 数据偏移 值为 5，表示 TCP 头部的长度是 5 × 4 = 20 字节。这意味着接收方应该从数据包的第 21 字节开始读取实际的数据部分。

如果数据偏移值为 6，表示 TCP 头部的长度是 6 × 4 = 24 字节，那么数据就从数据包的第 25 字节开始。

SYN

是 TCP 报文头中的一个标志位，全称是 Synchronize（同步），它用于 建立连接时同步双方的初始序列号，是 TCP 三次握手 中的重要部分。

✅ 通俗解释：

你可以把 SYN 理解为：“你好，我想和你建立连接，这是我的号码（初始序列号）。”

当两台设备通过 TCP 通信时，它们必须先通过 三次握手 确认彼此都准备好了，并知道对方的“起始编号”，这个编号就是通过 SYN 标志的报文来传递的。

🔁 SYN 在三次握手中的作用：

第一次握手：客户端发送一个 SYN=1 的报文，告诉服务器：“我想建立连接，我的初始序列号是 X。”
第二次握手：服务器回复一个 SYN=1 + ACK=1 的报文，说：“我同意连接，我的初始序列号是 Y，同时确认你的是 X+1。”
第三次握手：客户端再发送一个 ACK=1 报文，确认服务器的序列号 Y+1，连接建立。

URG（Urgent Pointer）

是 TCP 头部中的一个标志位，表示该数据段包含紧急数据。它与 紧急指针（Urgent Pointer） 一起使用，用来告知接收方数据中的某一部分是紧急的，需要优先处理。

假设一个 TCP 数据段的 URG 标志位 为 1，紧急指针为 500。这个意味着接收方应该优先处理从数据段开始到第 500 字节之间的数据（包含第 500 字节）。然后，接收方可以继续处理剩下的普通数据。

FIN

是 TCP 协议中的一个控制标志位，全称是 Finish（结束），表示“我已经没有数据要发送了，但我还可以接收你的数据”。

它用于 TCP连接的释放阶段，也就是我们常说的 “四次挥手” 中，FIN 标志就是“挥手”的信号。

TCP 四次挥手中 FIN 的使用过程：

第一次挥手（客户端发送 FIN）：
客户端想关闭连接，向服务器发送一个带 FIN=1 的数据包，告诉服务器“我已经发完了，你可以关我这边的发送通道”。
第二次挥手（服务器回 ACK）：
服务器收到 FIN 后，发送一个 ACK 包，表示“我知道了，但我可能还有数据要发，等我发完再说”。
第三次挥手（服务器发送 FIN）：
等服务器也没有数据可发了，就发送一个带 FIN=1 的数据包给客户端，请求关闭它的发送通道。
第四次挥手（客户端回 ACK）：
客户端收到后回复 ACK，连接彻底断开。客户端会进入一个叫 TIME_WAIT 的状态，等一段时间确保服务器收到了 ACK，才真正关闭连接。

📌 举个例子：

你和朋友打电话，说完自己的话后，你说：“我说完了（FIN）。”
朋友听到后回答：“我知道了（ACK）。”
然后朋友继续说他的内容，说完后他说：“我也说完了（FIN）。”
你听到后说：“好的，我也知道了（ACK）。”
这时你们才挂掉电话。

窗口大小（Window Size）

是 TCP 协议中一个非常关键的概念，它表示接收方能够一次接收、缓存但尚未确认的数据量，单位是字节（Bytes）。

✅ 通俗解释：

你可以把窗口大小想象成水杯的容量，而发送方的数据就像水。发送方可以往水杯里倒水（发数据），但不能超过杯子的容量（窗口大小），否则水会溢出（接收方缓存不下）。

所以，窗口大小的作用是：

告诉发送方：“我现在还能接收这么多数据，请别一下子发太多。”
控制数据发送速率，防止接收方来不及处理，造成数据丢失。
实现 TCP 的 流量控制（Flow Control）。

📦 举例说明：

假设你是接收方，你告诉对方：“我的窗口大小是 3000 字节。”
发送方就知道：“好，那我最多能连续发 3000 字节的数据，不等确认。”
一旦你确认了收到一部分数据，比如确认了 1000 字节，窗口就又打开了 1000 字节，发送方就可以继续发。

校验和（Checksum）

是 TCP/IP 协议中用于检验数据在传输过程中是否出错的一种机制。它的主要作用是：接收方可以通过计算校验和，判断收到的数据有没有在网络中被损坏。

✅ 通俗解释：

你可以把校验和想象成是“打包清单的总和”。
比如你寄一个包裹给朋友，里面有10样东西，你在单子上写：“这10样东西的总价值是100元”。
朋友收到包裹后，把每件物品的价格加起来，如果加出来也是100元，就知道东西没少；如果不是，就说明包裹中途出了问题。

TCP/UDP/IPv4 中的校验和也是这个道理。

🔧 在 TCP 中怎么用？

发送方在发数据前，会对整个 TCP 头部 + 数据做一个运算，得出一个 16 位的校验值，填入 TCP 头部的“校验和字段”中。
接收方收到数据后，用相同的算法重新计算一遍校验和：
- 如果和报文中的校验和一致，说明数据是完整的；
- 如果不一致，说明数据在传输过程中发生了错误（如被干扰、电磁噪声破坏等），就会丢弃这个包。

✍️ 校验和的特点：