12.TCP資料包結構以及三次握手（圖解）

TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）是一種面向連線的、可靠的、基於位元組流的通訊協議，資料在傳輸前要建立連線，傳輸完畢後還要斷開連線。

客戶端在收發資料前要使用 connect() 函式和伺服器建立連線。建立連線的目的是保證IP地址、埠、物理鏈路等正確無誤，為資料的傳輸開闢通道。

TCP建立連線時要傳輸三個資料包，俗稱三次握手（Three-way Handshaking）。可以形象的比喻為下面的對話：
[Shake 1] 套接字A：“你好，套接字B，我這裡有資料要傳送給你，建立連線吧。”
[Shake 2] 套接字B：“好的，我這邊已準備就緒。已經給你的Ack+1”
[Shake 3] 套接字A：“謝謝你受理我的請求，我又給Ack+1，發你了。”

TCP資料包結構

我們先來看一下TCP資料包的結構：

帶陰影的幾個欄位需要重點說明一下：

1. 序號：Seq（Sequence Number）序號佔32位，用來標識從計算機A傳送到計算機B的資料包的序號，計算機傳送資料時對此進行標記。

2. 確認號：Ack（Acknowledge Number）確認號佔32位，客戶端和伺服器端都可以傳送，Ack = Seq + 1。

3. 標誌位：每個標誌位佔用1Bit，共有6個，分別為 URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN，具體含義如下：
   URG：緊急指標（urgent pointer）有效。
   ACK：確認序號有效。
   PSH：接收方應該儘快將這個報文交給應用層。
   RST：重置連線。
   SYN：建立一個新連線。
   FIN：斷開一個連線。

對英文字母縮寫的總結：Seq 是 Sequence 的縮寫，表示序列；Ack(ACK) 是 Acknowledge 的縮寫，表示確認；SYN 是 Synchronous 的縮寫，願意是“同步的”，這裡表示建立同步連線；FIN 是 Finish 的縮寫，表示完成。

連線的建立（三次握手）

使用 connect() 建立連線時，客戶端和伺服器端會相互傳送三個資料包，請看下圖：

客戶端呼叫 socket() 函式建立套接字後，因為沒有建立連線，所以套接字處於CLOSED狀態；伺服器端呼叫 listen() 函式後，套接字進入LISTEN狀態，開始監聽客戶端請求。

這個時候，客戶端開始發起請求：

1. 當客戶端呼叫 connect() 函式後，TCP協議會組建一個資料包，並設定 SYN 標誌位，表示該資料包是用來建立同步連線的。同時生成一個隨機數字 1000，填充“序號（Seq）”欄位，表示該資料包的序號。完成這些工作，開始向伺服器端傳送資料包，客戶端就進入了SYN-SEND狀態。

2. 伺服器端收到資料包，檢測到已經設定了 SYN 標誌位，就知道這是客戶端發來的建立連線的“請求包”。伺服器端也會組建一個資料包，並設定 SYN 和 ACK 標誌位，SYN 表示該資料包用來建立連線，ACK 用來確認收到了剛才客戶端傳送的資料包。
   伺服器生成一個隨機數 2000，填充“序號（Seq）”欄位。2000 和客戶端資料包沒有關係。
   伺服器將客戶端資料包序號（1000）加1，得到1001，並用這個數字填充“確認號（Ack）”欄位。
   伺服器將資料包發出，進入SYN-RECV狀態。

3. 客戶端收到資料包，檢測到已經設定了 SYN 和 ACK 標誌位，就知道這是伺服器發來的“確認包”。客戶端會檢測“確認號（Ack）”欄位，看它的值是否為 1000+1，如果是就說明連線建立成功。
   接下來，客戶端會繼續組建資料包，並設定 ACK 標誌位，表示客戶端正確接收了伺服器發來的“確認包”。同時，將剛才伺服器發來的資料包序號（2000）加1，得到 2001，並用這個數字來填充“確認號（Ack）”欄位。
   客戶端將資料包發出，進入ESTABLISED狀態，表示連線已經成功建立。

4. 伺服器端收到資料包，檢測到已經設定了 ACK 標誌位，就知道這是客戶端發來的“確認包”。伺服器會檢測“確認號（Ack）”欄位，看它的值是否為 2000+1，如果是就說明連線建立成功，伺服器進入ESTABLISED狀態。
   至此，客戶端和伺服器都進入了ESTABLISED狀態，連線建立成功，接下來就可以收發資料了。

最後的說明

三次握手的關鍵是要確認對方收到了自己的資料包，這個目標就是通過“確認號（Ack）”欄位實現的。計算機會記錄下自己傳送的資料包序號 Seq，待收到對方的資料包後，檢測“確認號（Ack）”欄位，看Ack = Seq + 1是否成立，如果成立說明對方正確收到了自己的資料包。