CCNA-Part5 - 传输层 ，TCP 为什么是三次握手？

传输层

传输层主要的作用就是建立端到端的连接。比如电脑的微信的通信，就需要跨越多个网络设备（交换机和录取）再和微信的服务器建立连接。

传输层需要具有以下的特点：

• 会话的多复用：如电脑上开启的多个应用，QQ，微信等，这就意味着同时需要建立多个会话。
• 识别应用程序：通过端口号，来区分不同的应用程序。
• 分段：在发送数据时，将数据段分为多个部分进行发送，然后在接收端重新组装这些数据段。（TCP）
• 流量控制：在发送端和接受端，两者发送和接受的带宽不一致时，可以动态的调整带宽。（TCP）
• 面向连接：确认对方能接收时再发送（TCP）。
• 可靠性：保证对方一定能收到数据。（TCP）。

TCP 和 UDP 就是实现上述特点的协议。

TCP 报文段

TCP 连接过程 - 三次握手

三次握手是个老生常谈的话题，还得在大学时死记硬背这个连接过程，现在想想还蛮好玩的。都说检验一个人是否理解一件事情，就让他给一个从来没有听过的人讲，讲明白了，自然证明也就懂了。其实这就是主动学习和被动学习的体现，大家有兴趣可以查查费曼学习法，讲授给他人，写文章等都是一种主动学习的方式。有点扯远了，回到三次握手的过程，希望能给大家讲清楚。

在谈起连接过程前，先要对 TCP Header 中这几个字段有一个清晰的了解，在上面的导图也提到了，下面着重强调一下：

关于 Flag 字段： 该字段是 1 Byte，共 8 位，如果每一位置 1 后，就代表该 TCP 报文开启了对应的功能，其中三次握手共涉及 3 个字段，注意我这里是用大写的表示，并且只有 1 和 0 两种状态：

• SYN 字段：当置 1 时，表示该报文是请求连接的报文段，用于在 TCP 连接时的第一个连接。
• ACK 字段：当置 1 时，表示该报文是确认报文，用于表示对方发的请求连接已经收到，这里给予确认。
• FIN 字段：当置 1 时，表示发送方已经发送完毕，请求关闭连接。

关于序号字段 seq： 注意这里是小写，共有 4 Byte，32 位。和 IP 层一样，有时当发送的数据超过固定的 MTU 大小时，会将数据包拆成多个小的数据包发送，但数据是有顺序要求，为了保证数据的顺序，就有了该字段 seq，用于表示第一个字节在整个字节流的标号。

关于确认号字段 ack： 和 seq 一样，4 Byte. 表示对收到的数据进行确认，并告诉发送方接下来期待的序列号是什么。

最后还需要明确一点，TCP 建立的是双向的连接，因为在端点的另一方可以是发送方也可能是接收方，明确这点非常重要。

上面看起来比较抽象，一会实际抓包，对照起来看就清晰了。先有个印象，先来分析下 TCP 的连接过程。

一个 TCP 连接会有三个状态：

• 建立连接的状态
• 传输数据的状态
• 关闭连接的转台

先看连接状态：

1. 客户端想要和服务端建立连接：置位 Flag 字段中的 SYN=1，表示请求建立连接。seq = x，表示传送的第一个字节的序号是 x.

2. 服务端收到客户端请求：

   1. 置位 Flag 字段中的 ACK=1，表示确认跟你连接链接。ack= x + 1，表示前 x 个字节已经收到，期待传送 x+1个字节。
   2. 由于刚才连接过程是客户端到服务端的，同样的，服务端也需要向客户端也发一个请求用于建立连接，这样才是双向连接。正常来说，服务端应该再发一个请求，但由于 TCP 的报头设计，可以将请求功能和确认功能放在一个数据包里，通过 Flag 同时置位 SYN 和 ACK 。这也就是为什么连接时，三次握手而不是四次。

3. 客户端收到服务端的回复，通过 ack=x+1 知道，服务端收到了 x 字节的数据，期待接受 x+1 字节的数据。通过 SYN=1，seq=y 知道服务端想要和自己连接连接。进而回复 ACK=1，seq=x+1，ack=y+1.

传输状态：

如何保证数据的可靠性传输？

在客户端给服务传输数据时，如果收到 ACK 的报文，则代表服务端确实收到了传递的数据。考虑这样一种情况，客户端向服务端发送了 seq=10 的报文，但却收到服务端 ack=10 的回复。其实这就代表着，存在丢包的情况，服务端并未收到客户端 seq=10 的包。这时服务端会重新发送 seq=10 的报文，也就是说，在客户端只有成功的接收了服务端的 ACK 包，才会继续向下传递。

如何进行流量控制？

在 TCP Header 中有一个叫窗口大小的字段。当路由器发送或者接收数据时，会将数据先缓存起来，这个窗口就是对应的缓存区。由于造价的不同，不同的设备对应的缓冲区大小也不一样。考虑这样一种情况，客户端的窗口大小为 3 Byte，但服务端的窗口大小为 2 Byte。这就意味着，服务端只能先缓存 2 Byte 的数据。接着来看下，TCP 是如何进行流量控制的：

• 第一次，客户端会给服务端直接发送 3 Byte 的数据，注意是通过一个包里面包含 3 Byte 的数据。但由于服务端只有 2 Byte 的缓存空间，第三个 Byte 的内容会被丢掉。
• 接着服务端会回报，进行 ACK 确认，发送 ack=3，代表接受到了 seq=2 之前的数据。同时还会发送窗口大小 WS（2）告诉客户端自己只有 2 Byte 的缓存空间。
• 之后客户端只会发送缓存空间为 2 的数据包给服务端。

考虑一种特殊的情况：

在服务端收到 2 Byte 的数据时，此时 CPU 的处理变得低效，只从缓冲空间中取出了 1 个字节发送终端。

这时服务端再给客户端回包时，除了正常回复 ack=x+1 的确认，还会改变窗口大小为 1.，这就意味着告诉服务端，下次给我发包时

只能接受一个 Byte 的数据。

实际抓包看一下，这里以访问百度为例子：

第一次握手：

结合之前说的：

• 在 Flag 字段中，SYN 置1，表示这是一个请求连接的报文。
• seq=0，注意这里的 0 只是抓包软件的相对值，真实值是下面的 ac f7 f8 8b.
• 源端口为：8548
• 目的端口为：443

再看第二次握手：

同样：

• 服务端再 Flag 为 SYN 和 ACK 置位，表示该报具有确认和请求连接的功能。
• ack = ac f7 f8 8c 正好是之前 seq 的大小 +1.
• seq = 0,其实这里也是相对的位置，真实值为 fd 15 e1 c4，在 ack 的前四字节就是 syn.

最后第三次握手：

• 表示客户端确认和服务建立连接，对应 Flag ACK 置位。
• ack = fd 15 e1 c5， fd 15 e1 c4 + 1.

断开连接：

理解了 TCP 连接的过程，再看断开连接就很容易了。一样的，首先要明确，已经建立的连接是双向的连接。如果想要断开的话，自然双方都要发起一个请求。

而报文内部也大致相同，仅仅是把 Flag 字段中 SYN 换成 FIN 字段，表示想要断开连接。

同样，假如有客户端和服务端已经建立了连接。

1. 客户端向服务端发送报文，其中 FIN=1，表示请求断开连接。（断开的是客户端到服务端的连接）
2. 服务端收到后回包，ACK=FIN+1，表示收到客户端的情况，确认断开。
3. 服务端再次发送请求，置位 FIN=1，表示要和服务端断开连接。（断开的是服务端到客户端的连接）
4. 客户端收到后，ACK=FIN+1，表示确认断开和服务的连接。

这里一定会有疑问，为什么在三次握手中，可以在一个数据包中同时置位 SYN 和 ACK 表示确认和请求连接的过程，等到了断开连接时，就不能这样做呢，而是需要发送两次。

原因就在于，由于连接是双向的，第1，2步骤表示，客户端已经没有数据发送给服务端了。但这时，服务端可能还有数据正在发送给客户端，等待数据发送完成后。才能进行 3,4 步骤，然后断开服务端到客户端的连接。

UDP 报文段

学习了 TCP，再看 UDP 自然就很简单了。

先看 UDP 的特性：

• 工作在传输层
• 执行有限制的差错校验
• 提供尽力而为的传输
• 不可能的传输
• 开销低，传输的效率高

可以看到，UDP 的 Header 中，仅有源端口，目的端口用于识别应用程序。

下面来比较一下 TCP 和 UDP：

关于连接的类型：面向连接/面向无连接

序号：TCP 由于是可靠传输，所以需要对收到的内容进行 ACK 确认，而 UDP 直接发送，不管对方能不能接受。

应用场景：TCP 要求可靠的通信，如邮件，FTP，浏览网页，下载等服务。而 UDP 则适合语音，视频，HDCP等等。

总结

传输层的作用就是建立端到端的连接，为了实现该功能，一般有两种协议 TCP 和 UDP 可以选择。

对于 TCP 来说，需要了解并理解三次握手和四次挥手的过程。比较 TCP 和 UDP 的不同，以及适用的场景。

最后可以用这几个问题检验自己，对于都可以在文章中找到答案：

1. TCP 在建立连接时，为什么是三次握手而不是四次?
2. TCP 在断开连接时，为什么是四次而不是三次？
3. TCP 是如何保证可靠传输的？
4. TCP 是如何进行流量控制的？
5. TCP 和 UDP 的区别，以及适用的场景。