发出Web请求到服务器都经历了什么（三）TCP连接

关东煮大刀
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以上准备工作完成之后，我们终于要开始真正发送HTTP请求了，HTTP请求建立在TCP连接之上。所以我们需要首先建立TCP连接。

进行收发数据操作之前， 双方需要先建立起这条管道才行。建立管道的关键在于管道两端的数据出入口，这些出入口称为套接字。需要先创建套接字，然后再将套接字连接起来形成管道。具体会在下面介绍操作系统内核上体现的时候说明。

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创建套接字

调用Socket库的socket创建套接字，协议栈会返回一个描述符，应用程序会讲描述符存放在内存中。当创建套接字后，我们就可以使用这个套接字来执行收发数据的操作。

TCP三次握手

通过Socket库的connect完成连接。指定描述符、服务器IP和端口号。服务端通过Socket库的accept接受请求。

客户端调用connect时，触发了连接请求，向服务器发送了第一次握手，这时connect进入阻塞状态；

服务器监听到连接请求，即收到SYN包，调用accept函数接收请求向客户端发送确认同步，这时accept进入阻塞状态；

客户端收到服务器的确认同步之后，这时connect返回，并对确认同步进行确认；

服务器收到客户端的ACK之后，accept返回，至此三次握手完毕，连接建立。

服务器监听，客户端创建

一般在握手之前，服务器已经处于监听状态。客户端需要创建一个数据结构里面包含源端口、目的端口、目的IP、序号、应答号、对方窗口大小、自己窗口大小、缓冲区等。

第一次握手建立连接 控制位（SYN） + 序列号

第一次握手从TCP客户端开始，设置SYN（SYNCHRONIZATION）标志位代表建立第一次握手，并提供一个初始序列号（初始序号是随机的）。

发送后，客户端状态为SYN-SENT。

第二次握手确认同步 控制位（SYN + ACK） + 序列号 + 确认号（客户端序列号+1）

服务端收到后，会在本地创建一个数据结构（request_sock结构），包含源端口、目的端口、目的IP、序号、应答号、对方窗口大小、自己窗口大小、缓冲区等。

第二次握手，服务端会回应SYN + ACK（ACKNOWLEDGMENT），和第一次握手一样只有头部没有数据，服务器也生成自己的序列号。到客户端一直解封装，收到SYN + ACK，并且将确认号-1判断和自己发送的序列号一样，就知道连接建立了。

发送后，服务端状态从LISTEN变为SYN-RECEIVED。客户端接收状态为ESTABLISHED。

第三次握手 控制位（ACK）+ 序号 + 确认号 确认确认同步

为了通知服务器确认同步消息被接受了，发送ACK，并且发送序列号+确认号，序列号为步骤一的序列号+1，也就是步骤二的确认号。确认号为步骤二的序列号+1。

握手之后就建立了连接，这时候客户端就可以发送HTTP请求了。

服务端接收后，状态为ESTABLISHED。

其他

DDoS攻击

但如果每次服务器都要记住自己的序列号，那么就需要挂起非常多资源。那么可能出现有客户端不断发送SYN却不进行下一步操作，服务器就会崩溃，这就是DDoS攻击。

因此服务器根据IP地址和端口号等私有信息进行算法运算得到序号，不进行保存。

TCP报文格式

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  • 源端口一般随机生成
  • [S]SYN置为1代表是请求报文；[S.]代表ACK同步消息；[.]代表ACK。
  • win 代表本机窗口大小
  • 握手的时候序列号+1，传输数据的时候不会。

TCP字节流协议

TCP会把应用层数据看成一连串无结构的字节流。TCP会将报文切成一个个Segment段进行传输。这个段多大呢？默认536byte，查看MSS：Max Segment Size可知，但会根据网络状况以及客户端和服务器的窗口大小动态调整。（网络差，会缩减段的大小，这也是拥塞控制）需要根据序列号，对报文进行排序。报文如果丢失了会进行重传、去重。

  • 不限制数据大小
  • 打包成报文段
  • 保证有序接收
  • 重复报文自动丢弃

TCP流量缓冲

双方处理能力不匹配，各自都会有一个缓冲区。

TCP三次握手在操作系统内核上体现

内核会对某个端口进行监听，当收到客户端发送SYN请求之后，请求会进入SYN队列。服务端返回SYN/ACK响应报文给客户端，等待客户端给服务器发送ACK。服务端接收到ACK后会把SYN队列中的报文出队，放到ACCEPT队列中，这时候监听accept的应用程序就可以从中拿到连接。

  1. SYN报文到达服务端
  2. 入队，进入SYN队列
  3. 响应SYN/ACK
  4. ACK
  5. SYN队列出队
  6. 进入ACCEPT队列，连接已经建立了
  7. 这时候通常会有一个应用程序拿到这个accept，进行连接

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  • SYN队列也叫半连接队列

    由服务器进行维护，为每个客户端的SYN包开设一个条目。服务端在接收到SYN包的时候，就已经创建了request_sock结构了，存储在半连接队列中，该条目代表服务器已经收到SYN，等待客户发出确认，等待客户端确认包。这个条目标识服务器处于SYN_RECEIVED状态。

  • ACCEPT队列也叫完全连接队列

    服务端接收到ACK之后，进入ACCEPT队列。

TCP可靠性传输

    1. 停止等待协议 死等ACK

    1. 重传机制

    2. ACK报文丢失，会尝试超时后重新请求

    3. 请求报文丢失，同样也会在超时后重新请求

    1. 滑动窗口协议与累计确认

挨个确认超时重传效率很低，因此可以设置一个发送窗口大小，一次性发送该窗口大小的报文，服务器只需要确认最后一个报文。但如果丢包了怎么办呢？丢包了的话从最后一个发送的报文之后进行重传。

  • 保证可达
  • 丢包时，通过重发机制实现可靠性

TCP三次握手目的

  1. 同步通信双方初始序列号（ISN，Initial sequence number）
  2. 协商TCP通信参数（MSS，窗口信息，指定校验和算法）
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