TCP协议中的序列号

TCP 协议工作在OSI的传输层，是一种可靠的面向连接的数据流协议，TCP之所以可靠，是因为它保证了传送数据包的顺序。顺序是用一个序列号来保证的。响应包内也包括一个序列号，表示接收方准备好这个序列号的包。在TCP传送一个数据包时，它会把这个数据包放入重发队列中，同时启动计时器，如果收到了关于这个包的确认信息，便将此数据包从队列中删除，如果在计时器超时的时候仍然没有收到确认信息，则需要重新发送该数据包。另外，TCP通过数据分段中的序列号来保证所有传输的数据可以按照正常的顺序进行重组，从而保障数据传输的完整。

在TCP通讯中主要有连接的建立、数据的传输、连接的关闭三个过程！每个过程完成不同的工作，而且序列号和确认号在每个过程中的变化都是不同的。

TCP会话的每一端都包含一个32位（bit）的序列号，该序列号被用来跟踪该端发送的数据量。每一个包中都包含序列号，在接收端则通过确认号用来通知发送端数据成功接收。

TCP建立连接

TCP在其协议头中使用大量的标志位或者说1位（bit）布尔域来控制连接状态，一个包中有可以设置多个标志位。

TCP是主机对主机层的传输控制协议，提供可靠的连接服务，采用三次握手确认建立一个连接：

位码即TCP标志位，有6种标示：SYN(synchronous建立联机) ACK(acknowledgement 确认) PSH(push传送) FIN(finish结束) RST(reset重置) URG(urgent紧急)Sequence number(顺序号码) Acknowledge number(确认号码)
我们常用的是以下三个标志位：

- SYN - 创建一个连接
- FIN - 终结一个连接
- ACK - 确认接收到的数据

握手过程

所谓三次握手(Three-way Handshake)，是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务器总共发送3个包。

三次握手的目的是连接服务器指定端口，建立TCP连接,并同步连接双方的序列号和确认号并交换 TCP 窗口大小信息.在socket编程中，客户端执行connect()时。将触发三次握手。

1) 第1步：客户端向服务器发送一个同步数据包请求建立连接，该数据包中，初始序列号（ISN）是客户端随机产生的一个值，确认号是0；

2) 第2步：服务器收到这个同步请求数据包后，会对客户端进行一个同步确认。这个数据包中，序列号（ISN）是服务器随机产生的一个值，确认号是客户端的初始序列号+1；

3) 第3步：客户端收到这个同步确认数据包后，再对服务器进行一个确认。该数据包中，序列号是上一个同步请求数据包中的确认号值，确认号是服务器的初始序列号+1。

第一次握手：

客户端发送一个TCP的SYN标志位置1的包指明客户打算连接的服务器的端口，以及初始序号X,保存在包头的序列号(Sequence Number)字段里。

第二次握手：

服务器发回确认包(ACK)应答。即SYN标志位和ACK标志位均为1同时，将确认序号(Acknowledgement Number)设置为客户的I S N加1以.即X+1。

第三次握手：

客户端再次发送确认包(ACK) SYN标志位为0,ACK标志位为1.并且把服务器发来ACK的序号字段+1,放在确定字段中发送给对方.并且在数据段放写ISN的+1。

初始序列号（ISN）随时间而变化的，而且不同的操作系统也会有不同的实现方式，所以每个连接的初始序列号是不同的。TCP连接两端会在建立连接时，交互一些信息，如窗口大小、MSS等，以便为接着的数据传输做准备。
RFC793指出ISN可以看作是一个32bit的计数器，每4ms加1，这样选择序号的目的在于防止在网络中被延迟的分组在以后被重复传输，而导致某个连接的一端对它作错误的判断。

用wireshark抓包我们可以分析：以打开百度网站为例(115.239.211.112百度网站IP地址)：

第一步：客户端发送SYN标志：

SYN置位，初始序列号为0。

第二步：服务器应答：

SYN、ACK置位，确认序列号为客户端ISN+1 。服务器发送序列号为0。

第三步：客户端再发确认包

客户端再次发送确认包(ACK) ，SYN标志位为0,ACK标志位为1.并且把服务器发来ACK的序号字段+1,放在确认字段中发送给对方。

TCP传输数据

在TCP建立连接后，就可以开始传输数据了。TCP工作在全双工模式，它可以同时进行双向数据传输。这里为了简化，我们只谈服务器向客户端发送数据的情况，而客户端向服务器发送数据的原理和它是类似的，这里便不重复说明。
服务器向客户端发送一个数据包后，客户端收到这个数据包后，会向服务器发送一个确认数据包。
传输数据的简要过程如下：
1) 发送数据：服务器向客户端发送一个带有数据的数据包，该数据包中的序列号和确认号与建立连接第三步的数据包中的序列号和确认号相同；
2) 确认收到：客户端收到该数据包，向服务器发送一个确认数据包，该数据包中，序列号是为上一个数据包中的确认号值，而确认号为服务器发送的上一个数据包中的序列号+所该数据包中所带数据的大小。
数据分段中的序列号可以保证所有传输的数据按照正常的次序进行重组，而且通过确认保证数据传输的完整性。

TCP关闭连接

前面我们提到，建立一个连接需要3个步骤，但是关闭一个连接需要经过4个步骤。因为TCP连接是全双工的工作模式，所以每个方向上需要单独关闭。在TCP关闭连接时，首先关闭的一方（即发送第一个终止数据包的）将执行主动关闭，而另一方（收到这个终止数据包的）再执行被动关闭。
关闭连接的4个步骤如下：
1)  第1步：服务器完成它的数据发送任务后，会主动向客户端发送一个终止数据包，以关闭在这个方向上的TCP连接。该数据包中，序列号为客户端发送的上一个数据包中的确认号值，而确认号为服务器发送的上一个数据包中的序列号+该数据包所带的数据的大小；
2)  第2步：客户端收到服务器发送的终止数据包后，将对服务器发送确认信息，以关闭该方向上的TCP连接。这时的数据包中，序列号为第1步中的确认号值，而确认号为第1步的数据包中的序列号+1；
3)  第3步：同理，客户端完成它的数据发送任务后，就也会向服务器发送一个终止数据包，以关闭在这个方向上的TCP连接，该数据包中，序列号为服务器发送的上一个数据包中的确认号值，而确认号为客户端发送的上一个数据包中的序列号+该数据包所带数据的大小；
4)  第4步：服务器收到客户端发送的终止数据包后，将对客户端发送确认信息，以关闭该方向上的TCP连接。这时在数据包中，序列号为第3步中的确认号值，而确认号为第3步数据包中的序列号+1；
注意：因为FIN和SYN一样，也要占一个序号。理论上服务器在TCP连接关闭时发送的终止数据包中，只有终止位是置1，然后客户端进行确认。但是在实际的 TCP实现中，在终止数据包中，确认位和终止位是同时置为1的，确认位置为1表示对最后一次传输的数据进行确认，终止位置为1表示关闭该方向的TCP连接。

作者：卿萃科技ALIFPGA

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