TCP 握手与一些概念

如果你只是在编写 Web 应用，你完全无需了解三次握手的细节——因为我真的没想到应用场景，如果你知道，可以告诉我。

故事要从我第一次编写长连接应用说起，从 HTTP 下的需求开发，到编写 TCP 长连接应用，于我而言，倘若不理解握手流程，就很难理解：

什么是数据包？
如何解析一个包？
握手流程里的事件用途？
怎样的表现是传输出错？
如果出现传输问题，哪个步骤出了错？该怎么解决？
框架有问题，想提个修复 PR，但这个代码注释说 MSS？MTU？
我需要支持自有包格式，该怎么写解析、封装？
TCP/UDP/HTTP 等实际使用的协议（此处并非指某一层，譬如 HTTP 也是基于 TCP，不是说这个），性能差距差在哪里？
etc.

如果此时你选用 Socket.IO 或类似的框架，情况还好一些，如果没有必要，你无需关注数据包问题——当数据出现异常时，理解握手有时候会成为解决问题的必须条件。

这就是我对 TCP 握手第一次产生兴趣的时刻。

TCP 握手流程

SYN：Synchronize；
ACK：Acknowledge；
FIN：Finished。

发起方	接收方	意义
发送：SYN + A序列号；状态：SYN-SENT
	发送：ACK-SYN + A序列号 + B序列号状态：SYN-RCVD	接收方确认：接收方可收，发起方可发
发送：ACK，状态：Established		发起方确认双方可收发，我方序列号被接受
	状态：Established	接收方确认双方可收发，我方序列号被接受
通讯中....	通讯中....
发送：FIN		发起方想结束连接
	发送：ACK	接收方了解发起方想结束连接
发起方收到		发起方了解接收方已知晓
	发送：FIN	接收方知晓数据传完，可关闭
发送：ACK		发起方知晓数据传完，可关闭
	接收方收到，不再维持连接	接收方知晓发起方已知晓连接可关闭
等待 2 个 MSL 时间...不再维持连接		发起方需确认最后消息未丢包，则关闭自身

序列号

TCP 协议采用序列号+1的方式，来确认双方通讯的有序性。

在很老的 TCP 版本中，该起始序列号是固定的——这导致了轻松的连接劫持，只需要模拟固定的序列号即可。

不用担心，后续版本已将它升级为随机起始值。且对采用了 SSL / HTTPS 等安全协议的服务，这种问题几乎不存在。

注意安全，仍有其他劫持可能运作，譬如复合了 IP 欺骗或盲目劫持等手段后，发起的钓鱼、中间人攻击等劫持方式。

MSL 时间

数据段的最大生命时间（Maximum segment lifetime），这里有三个重点：

超过此时间的数据段将被丢弃（数据段或叫报文？）。
在 Linux，你可以通过 tcp_fin_timeout 和 tcp_keepalive_time 来调整它。
如果你喜欢 Windows Service，可以尝试 How Do I Reduce the Time for Canceling TCP Connections in TIME_WAIT State on Windows
1981 年的原始协议规定 MSL = 120s，实际上，Linux 内核将其缩短为 30s——这对于某些应用来说，仍然过长了。

SYN 泛洪攻击

指：

通过大量构造连接，且在最后一步不发送 ACK 数据包，从而构造半开连接；
服务端为连接分配资源后，长时间维持无用连接的情况（考虑 MSL 时间，这个连接会存在很久）。
当大量的连接被建立、分配资源、搁置后，整个服务进入停摆状态。

可以通过回收最先创建的 TCP 半开连接、 IP 鉴别并暂时拉黑，云服务商还会有握手沙盒服务等。

让我们回到 TCP 本身。

超时重传

TCP 的安全性有各种机制保证，超时重传就是其中之一。

超时重传时间，也叫 RTO 时间（Retransmission-TimeOut），它如何如何发挥作用呢？

当一个包传输 RTO 时间后仍然没有结果，则确认包丢失；
当确认包丢失后，发送端将重新发送信息给对方，此时 RTO 时间加倍；
重复上述过程，重试 3 次后仍无效，放弃。

RTT 时间

往返时延时间（Round-Trip-Time），这里介绍这个概念，主要是因为 RTO 时间会受到 RTT 时间的影响。

首先，RTT 计算方式：一端发送 SYN 包起，另一端回复 SYN-ACK 包结束。

接着，考虑到网络传输的时延和不稳定，TCP 会计算出 SRTT（Smoothed RTT），作为新 RTO 的计算系数之一。

（具体计算方式可以参考 RFC 的相关文档，写的很明确，附在了引用中）

ARQ 协议

自动重传请求（Automatic Repeat-reQuest），它本身只是一个协议，各种安全通讯协议都有对应的实现。

当数据包超时后，会触发 ARQ 机制进行重传。

TCP 包细节

标头

TCP 包中，标头是指 IP Header、TCP Header 这部分，常规而言，两者均为 20 字节（可以扩展，但几乎没有需要）。

标头用于指定各种地址、协议、包相关的信息：

TCP 包的标头示意图

需要注意的是：源/目标端口号、序列号、控制标记（ACK 等），它们都在标头中。

载荷

跟随在标头后，是数据包的载荷部分，这里面则包含了数据包的具体数据。

多数应用层开发者都更关注载荷，而非标头。

MTU 尺寸

包头 + 载荷，构成了一个数据包的尺寸，那我们用 MTU（Maximum transmission unit，最大传输单位）来描述它。

若一次数据传输超过这个单位，将进行分段传输。

MSS 尺寸

MSS（最大分段大小）用于标识数据块的尺寸，也就是：MTU - 标头尺寸 = MSS。

此处有 MSS 协商的概念，连接双方在握手的 SYN 阶段确认彼此的 MSS 尺寸，同时以最小值作为本次连接的信息交换尺寸。

这个协商并非强制进行的，可能一端并不会传输自己的 MSS 尺寸，导致：

如标头后加入了其他信息（IPsec、GRE 隧道传输等信息），可能会导致 MTU 超过 1500 的常见尺寸，造成隐蔽的包体内容不全。

引用

本文参考或引用以下资料，在此致谢：

The TCP / IP Guide
淘宝二面，面试官居然把TCP三次握手问的这么详细
 Understanding RTT Impact on TCP Retransmissions
TCP 的特性 - # 笔试面试知识整理
 Why is TCP MSL so long? - ServerFault
RFC - 6298

引申1：找资料时看到有博主表示，抓包时了解 TCP 很有用，这一点对 tcpdump、fiddler 是有意义的，可如果你是用 Charles、Chrome Console 的 Network 抓包，它已经把 懒人化 做到极致了，其实你需要的数据，98% 都只是传输信息，而非包数据。

引申2：TCP 的相关知识点很充足，导致写的有点久。很多有趣的内容也没有说到，譬如：

TCP 的流量控制、拥塞控制，这是 TCP 重要的设计概念，对 KCP 也有不小的影响；
TCP 的攻防机制，与 UDP 攻防的不同点。
TCP 的配置，在 Linux 环境的性能优化，知名的网游 WOW（魔兽世界）就采用了 TCP 协议。

可能后续会写一些跟进文章来解释。