面试题：网络编程中TCP协议三次握手的底层实现细节

Question

请详细描述TCP协议三次握手在TCP/IP协议栈底层是如何实现的，包括涉及到的关键数据结构和函数调用过程。

Answer 1

1. 关键数据结构

• TCP 控制块（TCB, Transmission Control Block）：
  • 每个 TCP 连接在内核中都有一个对应的 TCB，它存储了该连接的所有状态信息，比如源 IP 地址、目的 IP 地址、源端口号、目的端口号、发送和接收的序列号、窗口大小等。在 Linux 内核中，struct sock 结构是与套接字相关的通用数据结构，struct tcp_sock 是基于 struct sock 专门为 TCP 协议扩展的结构，包含了 TCP 连接特有的信息，例如 tcb->snd_nxt 表示下一个要发送的序列号，tcb->rcv_nxt 表示期望接收的下一个序列号。
• TCP 头部（TCP Header）：
  • 是 TCP 数据包的重要组成部分，长度通常为 20 字节（不包含选项字段）。包含源端口号（16 位）、目的端口号（16 位）、序列号（32 位）、确认号（32 位）、数据偏移（4 位，指示 TCP 头部长度，以 4 字节为单位）、保留位（6 位）、标志位（6 位，如 SYN、ACK、FIN 等）、窗口大小（16 位）、校验和（16 位）、紧急指针（16 位，仅当 URG 标志位被置位时有效）。在网络传输过程中，TCP 头部携带了连接建立、数据传输和连接终止等关键信息。

2. 三次握手过程在底层的实现

1. 第一次握手（客户端发送 SYN 包）：
   • 当应用层调用 socket() 函数创建一个 TCP 套接字，并调用 connect() 函数发起连接请求时，内核开始处理。
   • 内核在 tcp_v4_connect() 函数中，构建一个 SYN 包。首先填充 TCP 头部，设置源端口号为客户端套接字绑定的端口号，目的端口号为服务器监听的端口号。生成一个初始序列号（ISN，Initial Sequence Number），将 SYN 标志位置 1。
   • 然后通过 IP 层发送该数据包，IP 层会根据目的 IP 地址查找路由表，确定下一跳地址，并封装 IP 头部，最终通过网络接口发送出去。
2. 第二次握手（服务器接收 SYN 包并回复 SYN + ACK 包）：
   • 服务器内核在接收网络接口传来的数据包后，经过 IP 层解包，发现是 TCP 协议且目的端口号与监听端口号匹配，调用 tcp_v4_rcv() 函数处理。
   • 函数检查 TCP 头部，确认 SYN 标志位为 1，生成自己的初始序列号，同时设置确认号为客户端的 ISN 加 1，表示已收到客户端的 SYN 包。然后设置 SYN 和 ACK 标志位，构建 SYN + ACK 包。
   • 同样通过 IP 层封装并发送回客户端。
3. 第三次握手（客户端接收 SYN + ACK 包并回复 ACK 包）：
   • 客户端内核收到服务器的 SYN + ACK 包后，调用 tcp_v4_rcv() 函数处理。检查 TCP 头部，确认 SYN 和 ACK 标志位正确，并且确认号与自己发送的 ISN 加 1 相符。
   • 然后客户端发送 ACK 包，设置确认号为服务器的 ISN 加 1，ACK 标志位置 1。通过 IP 层发送该 ACK 包给服务器。
   • 服务器收到 ACK 包后，连接正式建立，双方可以开始进行数据传输。

3. 函数调用过程总结

• 客户端：
  • socket() 创建套接字 -> connect() 发起连接 -> tcp_v4_connect() 构建并发送 SYN 包 -> tcp_v4_rcv() 处理服务器的 SYN + ACK 包 -> 构建并发送 ACK 包。
• 服务器：
  • socket() 创建套接字 -> bind() 绑定地址和端口 -> listen() 监听连接 -> tcp_v4_rcv() 处理客户端的 SYN 包 -> 构建并发送 SYN + ACK 包 -> tcp_v4_rcv() 处理客户端的 ACK 包，连接建立。