TCP数据报结构以及三次握手（图解）

简要介绍

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

具体内容参照

https://www.cnblogs.com/cyx-b/p/12492872.html

只对带阴影的几个字段重点说明一下：
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，愿意是“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）

为了理解得更深刻，我查找了很多资料。

①知乎

https://zhuanlan.zhihu.com/p/43838752

TCP把连接作为最基本的对象，每一条TCP连接都有两个端点，这种断点我们叫作套接字（socket），它的定义为端口号拼接到IP地址即构成了套接字，例如，若IP地址为192.168.4. 而端口号为80，那么得到的套接字为192.168.4.:。

最开始的时候客户端和服务器都是处于CLOSED状态。主动打开连接的为客户端，被动打开连接的是服务器。


1、TCP服务器进程先创建传输控制块TCB，时刻准备接受客户进程的连接请求，此时服务器就进入了LISTEN（监听）状态；

2、TCP客户进程也是先创建传输控制块TCB，然后向服务器发出连接请求报文，这是报文首部中的同部位SYN=1，同时选择一个初始序列号 seq=x ，此时，TCP客户端进程进入了 SYN-SENT（同步已发送状态）状态。TCP规定，SYN报文段（SYN=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号。

3、TCP服务器收到请求报文后，如果同意连接，则发出确认报文。确认报文中应该 ACK=1，SYN=1，确认号是ack=x+1，同时也要为自己初始化一个序列号 seq=y，此时，TCP服务器进程进入了SYN-RCVD（同步收到）状态。这个报文也不能携带数据，但是同样要消耗一个序号。

4、TCP客户进程收到确认后，还要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1，ack=y+1，自己的序列号seq=x+1，此时，TCP连接建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。TCP规定，ACK报文段可以携带数据，但是如果不携带数据则不消耗序号。

5、当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态，此后双方就可以开始通信了。

②C语言中文网

http://c.biancheng.net/cpp/html/3042.html

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：

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。

③《TCP/IP入门经典》

TCP 的一切操作都是在一个连接上下文的环境中完成的。TCP 通过连接发送和接收数据，而这个连接必须根据TCP的规则进行请求、打开和关闭。

TCP 的功能之一是为应用程序提供访问网络的接口。这个接口是通过 TCP端口提供的，而为了通过端口提供连接，必须打开TCP与应用程序的接口。TCP支持以下两种打开状态。

被动打开 ：某个应用程序进程通知TCP准备通过TCP端口接收连接，这样就会打开TCP到应用程序的连接，从而为参与连接请求做准备。

主动打开 ：程序要求TCP发起与另一台计算机（处于被动打开状态）的连接，这就是主动打开状态。

在通常情况下，想接收连接的应用程序（比如 FTP 服务器）会把自身及其 TCP 端口置于被动打开状态。在客户端计算机上，FTP客户端的TCP状态一般是关闭的，直到用户发起一个从FTP客户端到FTP服务器的连接，这对于客户端来说就是主动打开。处于主动打开状态的计算机（比如客户端）上的TCP软件会开始一些用于建立连接的信息交换，这种信息交换被称为“三次握手”。

客户端是指向网络中的其他计算机请求或接收服务的计算机。

服务器是指向网络中其他计算机提供服务的计算机。

TCP发送的数据分段的长度是不定的。在一个数据分段内，每字节数据都被分配一个序列号。接收端计算机必须为接收到的每个字节数据都发送一个确认信号。因此，TCP通信是一种传输与确认的系统。TCP报头中的“序列号”和“确认号”字段（见前面小节的介绍）让通信的TCP软件能够定期更新传输的状态。

实际上，数据分段中并不是为每个字节都单独编了一个序列号，而是在报头的“序列号”字段指定了数据分段第一个字节的序列号。

这个规则有一个例外。如果数据分段是连接初期使用的，“序列号”字段里包含的是ISN，它的值比数据分段中第一个字节的序列号小 1（也就是说，第一个字节的序列号是ISN加1）。

如果数据分段被成功接收，接收端计算机会利用“确认号”字段告诉发送端计算机它接收到哪个字节。在确认消息中，“确认号”字段的值是已接收的最后一个序列号加1。换句话说，“确认号”字段中的值是计算机准备接收的下一个序列号。

如果发送端计算机没有在指定时间内收到确认消息，它会从已经得到确认的下一字节重新发送数据。