TCP：学得越多越不懂

这次我们来聊一聊TCP协议。

握手

多少有点令人意外的是，大多数程序员对TCP协议的印象仅限于在创建连接时的三次握手。

严格地说，“三次握手”其实是一个不太准确的翻译，英文原文是 "3-way handshake"，意思是握手有三个步骤。

不过既然教科书都这么翻译，我就只能先忍了。

“三次握手”的步骤相信各位都非常熟悉了：

A: 喂，听得到吗 (SYN)
B: 阔以，你呢 (SYN-ACK)
A: 我也阔以，开始唠吧 (ACK)

（咦，这不是远程面试的开场白吗）

那么问题来了：为什么不是2次握手或者4次握手呢？

== 3次 ==

针对“为什么不是4次”，知乎的段子手是这么回答的：

A: 喂，听得到吗 (SYN)
B: 阔以，你呢 (SYN-ACK)
A: 我也阔以，你呢 (SYN-ACK)
B: ...我不想和傻\*说话 (FIN)

<s>由此可见知乎质量的下降。</s>

实际上，上面省略了真正重要的信息，在握手过程中传输的，不是“你能不能听得到”，而是：

A: 喂，我的数据从x开始编号 (SYN)
B: 知道了，我的从y开始编号 (SYN-ACK)
A: 行，咱俩开始唠吧 (ACK)

协商一个序号的过程需要一个来回（告知 + 确认），理论上需要2个来回（4次），互相确认了双方的初始序号（ISN，Initial Sequence Number），才能真正开始通信。

由于第二个来回的“告知”可以和前一次的“确认”合并在同一个报文里（具体怎么结合后面讲），因此最终只需要3次握手，就可以建立起一个tcp链接。

这也解释了为什么不能只有2次握手：因为只能协商一个序号。

不过话说回来，知乎段子手的回复也不是全在抖机灵：毕竟，发起方怎么才能确认接收方已经知道发起方知道接收方知道了呢？即使发起方再问一遍，接收方又怎么知道发起方知道了接收方知道了呢？

很遗憾，结论是：无论多少个来回都不能保证双方达成一致。

由于实践中丢包率通常不高，因此最合理的做法就是3次握手（2个来回），少了不够，多了白搭；同时配上相应的容错机制。

例如 SYN+ACK 包丢失，那么发起方在等待超时后重传SYN包即可。

想想看，如果最后一个ACK丢了会怎样？

然后问题又来了：为什么需要协商初始序号，才能开始通信呢？

可靠

我们都知道，tcp是一个“可靠”（Reliable）的协议。

这里“可靠”指的不是保证送达，毕竟网络链路中存在太多不可靠因素。

在 IETF 的 RFC 793（TCP协议）中，Reliability的具体定义是：TCP协议必须能够应对网络通信系统中损坏、丢失、重复或者乱序发送的数据。

Reliability:

The TCP must recover from data that is damaged, lost, duplicated, or delivered out of order by the internet communication system.

https://tools.ietf.org/html/rfc793

为了保证这一点，tcp需要给每一个 [字节] 编号：双方通过三次握手，互相确定了对方的初始序号，后续 [每个包的序号 - 初始序号] 就能标识该包在字节流中所处的位置，这样就可以通过重传来保证数据的连续性。

举个例子：

发送方（ISN=4000）
- 发出 4001、4002、4003、4004
- （假设每个包只有1字节的数据）
接收方
- 收到 4001、4002、4004
- 4003因为某种原因没有抵达
- 这时上层应用只能读到4001、4002中的信息

由于接收方没有收到4003，因此给发送方的ACK中，序号最大值是4003（表示收到了4003之前的数据）。

过了一段时间（Linux下默认是1s），发送方发现4003一直没被ACK，就会重传这个包。

当接收方最终收到 4003 以后，上层应用才可以读到4003和4004，从而保证其收到的消息都是可靠的。（以及，接收方需要给发送方ACK，序号是4005）

注意：虽然ISN=4000，但是发送方发送的第一个包，SEQ是4001开始的，TCP协议规定 SYN 需要占一个序号（虽然SYN并不是实际传输的数据），所以前面示意图中ACK的seq是 x+1 。同样，FIN也会占用一个序号，这样可以保证FIN报文的重传和确认不会有歧义。

但是，为什么序号不能从 0 开始呢？

可靠²

真实世界的复杂性总是让人头秃。

我们知道，操作系统使用五元组（协议=tcp，源IP，源端口，目的IP，目的端口）来标识一个连接，当一个包抵达时，会根据这个包的信息，将它分发到对应的连接去处理。

一般情况下，服务器的端口号通常是固定的（如http 80），而操作系统会为客户端随机分配一个最近没有被使用的端口号，因此包总能被分发到正确的连接里。

但在某些特殊的场景下（例如快速、连续地开启和关闭连接），客户端使用的端口号也可能和上一次一样（或者用了其他刚断开的连接的端口号）。

而TCP协议并不对此作出限制：

The protocol places no restriction on a particular connection being used over and over again. ... New instances of a connection will be referred to as incarnations of the connection.

那么：

如果前一个连接的包，因为某种原因滞留在网络中，这会儿才送达，客户端可能无法区分（其sequence number在本连接中可能是有效的）。
恶意第三方伪造报文的难度很小。注意，在这个场景里，第三方并 [不需要] 处于通信双方的链路之间，只要他发出的报文可以抵达通信的一方即可。

因此我们需要精心挑选一个ISN，使得上述case发生的可能性尽可能低。

注意：不是在tcp协议的层面上100%避免，因为这会导致协议变得更复杂，实现上增加额外的开销，而在绝大多数情况下是不必要的。如果需要“100%可靠”，需要在应用层协议上增加额外的校验机制；或者使用类似IPSec这样的网络层协议来保证对包的有效识别。

那么，ISN应该如何挑选呢？

ISN生成器

说起来其实很简单：

TCP协议的要求是，实现一个大约每 4 微秒加 1 的 32bit 计数器（时钟），在每次创建一个新连接时，使用这个计数器的值作为ISN。

假设传输速度是 2 Mb/s，连接使用的sequence number大约需要 4.55 小时才会溢出并绕回（wrap-around）到ISN。即使提高到 100 Mb/s，也需要大约 5.4 分钟。

而一个包在网络中滞留的时间通常是有限的，这个时间我们称之为MSL（Maximum Segment Lifetime），工程实践中一般认为不会超过2分钟。

所以我们一般不用担心本次连接的早期segment（tcp协议称之为 old duplicates）导致的混淆。

注：在家用千兆以太网已经逐渐普及、服务器间开始使用万兆以太网卡的今天，wrap-around的时间已经降低到32.8s（千兆）、3.28s（万兆），这个假定已经不太站得住脚了，因此 rfc1185 针对这种高带宽环境提出了一种扩展方案，通过在报文中加上时间戳，从而可以识别出这些 old duplicates。

主要风险在于前面提到的场景：前一个连接可能传输了较多数据，因此其序列号可能大于当前连接的ISN；如果该连接的报文因为某种原因滞留、现在又突然冒出来，当前连接将无法分辨。

因此，TCP协议要求在断开连接时，TIME-WAIT 状态需要保留 2 MSL 的时间才能转成 CLOSED（如下图底部所示）。

                              +---------+ ---------\      active OPEN
                              |  CLOSED |            \    -----------
                              +---------+<---------\   \   create TCB
                                |     ^              \   \  snd SYN
                   passive OPEN |     |   CLOSE        \   \
                   ------------ |     | ----------       \   \
                    create TCB  |     | delete TCB         \   \
                                V     |                      \   \
                              +---------+            CLOSE    |    \
                              |  LISTEN |          ---------- |     |
                              +---------+          delete TCB |     |
                   rcv SYN      |     |     SEND              |     |
                  -----------   |     |    -------            |     V
 +---------+      snd SYN,ACK  /       \   snd SYN          +---------+
 |         |<-----------------           ------------------>|         |
 |   SYN   |                    rcv SYN                     |   SYN   |
 |   RCVD  |<-----------------------------------------------|   SENT  |
 |         |                    snd ACK                     |         |
 |         |------------------           -------------------|         |
 +---------+   rcv ACK of SYN  \       /  rcv SYN,ACK       +---------+
   |           --------------   |     |   -----------
   |                  x         |     |     snd ACK
   |                            V     V
   |  CLOSE                   +---------+
   | -------                  |  ESTAB  |
   | snd FIN                  +---------+
   |                   CLOSE    |     |    rcv FIN
   V                  -------   |     |    -------
 +---------+          snd FIN  /       \   snd ACK          +---------+
 |  FIN    |<-----------------           ------------------>|  CLOSE  |
 | WAIT-1  |------------------                              |   WAIT  |
 +---------+          rcv FIN  \                            +---------+
   | rcv ACK of FIN   -------   |                            CLOSE  |
   | --------------   snd ACK   |                           ------- |
   V        x                   V                           snd FIN V
 +---------+                  +---------+                   +---------+
 |FINWAIT-2|                  | CLOSING |                   | LAST-ACK|
 +---------+                  +---------+                   +---------+
   |                rcv ACK of FIN |                 rcv ACK of FIN |
   |  rcv FIN       -------------- |    Timeout=2MSL -------------- |
   |  -------              x       V    ------------        x       V
    \ snd ACK                 +---------+delete TCB         +---------+
     ------------------------>|TIME WAIT|------------------>| CLOSED  |
                              +---------+                   +---------+

                      TCP Connection State Diagram
                               Figure 6.

（tcp连接状态图，截取自rfc 793）

那么问题又来了：为什么只有 TIME-WAIT 需要等待 2MSL，而LAST-ACK不需要呢？

报文

针对TCP协议可以提的问题太多了，写得有点累，所以这里不打算继续自问自答了。

但写了这么多，还没有看一下TCP报文是什么结构的，实在不应该，这里还是祭出 rfc 793 里的 ascii art（并顺便佩服rfc大佬的画图功力）

    0                   1                   2                   3
    0 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
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |          Source Port          |       Destination Port        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                        Sequence Number                        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Acknowledgment Number                      |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |  Data |           |U|A|P|R|S|F|                               |
   | Offset| Reserved  |R|C|S|S|Y|I|            Window             |
   |       |           |G|K|H|T|N|N|                               |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |           Checksum            |         Urgent Pointer        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Options                    |    Padding    |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                             data                              |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

                            TCP Header Format

简单介绍下：

一行是4个字节（32 bits），header一般共5行（options和padding是可选的）
第一行包含了源端口和目的端口
- 每个端口16bits，所以端口最大是65535
- 源IP和目的IP在IP报文头里
第二行是本次报文的Sequence Number
第三行是ACK序列号
第四行包含了较多信息：
- 数据偏移量：4字节的倍数，最小是0101（5），表示数据从第20个字节开始（大部分情况）
- 控制位（CTL）：一共6个，其中的ACK、SYN、FIN就不介绍了
- RST是Reset，遇到异常情况时通知对方重置连接（我们敬爱的防火墙很爱用它）
- URG表示这个报文很重要，应该优先传送、接收方应该及时给上层应用。URG的数据不影响seq，实际很少被用到，感兴趣的话可以参考下RFC 854（Telnet协议）
- PSH表示这个报文不应该被缓存、应当立即被发送出去。在交互式应用中比较常用，如ssh，用户每按下一个键都应该及时发出去。注意和Nagle算法可能会有一些冲突。
- 窗口大小：表示这个包的发送方当前可以接受的数据量（字节数），从这个包里的ack序号开始算起。用于控制滑动窗口大小的关键字段就是它了。

举个例子，三次握手的第二步，SYN和ACK合并的报文就是这么生成的：

Sequence Number填入从ISN生成器中获取的值
Acknowledgement Number填入 [发送方的序号 + 1]
将控制位中的ACK位、SYN位都置1

写不动了，真是没完没了（相信看到这里的同学已经不多了），但是TCP协议中还有很多有意思的设计本文完全没有涉及，文末我给出一些推荐阅读的链接，供感兴趣的同学参考。

总结

TCP“三次握手”翻译不准确
握手的目的是双方协商初始序列号ISN
序列号是用于保证通信的可靠性
不使用 0 作为ISN可以避免一些坑
TCP报文里包含了端口号、2个序列号、一些控制位、滑动窗口大小
我在字节跳动网盟广告业务线（穿山甲），由于业务持续高速发展，长期缺人。关于字节跳动面试的详情，可参考我之前写的
- 《程序员面试指北：面试官视角》
- https://mp.weixin.qq.com/s/By...

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