简介

序列号（Sequence Number）是 TCP 协议中非常重要的一个概念，以至于不得不专门来学习一下。这篇文章我们就来解开他的面纱.

在 TCP 的设计中，通过TCP协议发送的每个字节都对应于一个序列号. 由于每个字节都有自己的序列号，那么每个字节都可以被对方确认接收.

但是由于 TCP 使用累计确认机制，因此不需要对每个接收到的字节都发送对应的ACK，而是采用确认最后接收到的自己的序列号的方式来进行确认接收的. 举个例子，对于序列号 X，它意味着 X 之前的所有字节已经被对方接收到（不包含 X 本身）。

序列号这个机制使得 TCP 可以检测到重复的数据包.

本篇文章中将会使用都很多我们在基本部分引入的专业术语，请参考协议簇：TCP 解析: 基础

系列文章

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协议簇：TCP 解析：连接断开
协议簇：TCP 解析：Sequence Number
协议簇：TCP 解析：数据传输

Sequence Number

正如我们所知道的，Sequence Number 字段在 TCP 头部占用 32bit 的长度。这也意味着 Sequence Number 是有限的，它的合法值是 0 - 2**32 -1. 因此对于通信双方，在发送 SEQ 时，总是需要将该值与 2 ** 32 取模.

TCP 任何一方在接收到对方发送的数据包之后，都需要对 Sequence Number 进行检查。最通常的检查包含以下几条：

接收到的 Sequence Number 对应于那些我们已经发送还未收到 ACK 的 Sequence Number
一个TCP数据段所包含的所有字节都被当前 Sequence Number 覆盖(比如，我们可以将该段从重传队列中移除)
接收到的 Sequence Number 是我们正在等待接收的（比如，确保该 Sequence Number 于我们的接收窗口有重叠部分）.

概念引入

SND.UNA - 最早发送且没有收到ACK的 Sequence Number
[oldest unacknowledged sequence number]
SND.NXT - 下一个被发送的数据的 Seuqnce Number
[next sequence number to be sent]
SEG.ACK - 接收到的 TCP 段的 ACK，其中包含了对方期待下一个段的 Sequence Number
[acknowledgment from the receiving TCP (next sequence
number expected by the receiving TCP)]
SEG.SEQ - 一个 TCP 段的第一个字节的 Sequence Number
[first sequence number of a segment]
SEG.LEN - 一个 TCP 段中包含的字节的数量
[the number of octets occupied by the data in the segment
(counting SYN and FIN)]
SEG.SEQ+SEG.LEN-1 - 一个 TCP 段的最后一个字节的 Sequence Number
[last sequence number of a segment]
RCV.NXT - 下一个期待接收到的段的第一个字节的 Sequence Number. 同时，这个值也代表了接收方的接收窗口的下限.
[next sequence number expected on an incoming segments, and is the left or lower edge of the receive window]
RCV.NXT+RCV.WND-1 - 下一个期待接收到的段的最后一个字节的 Sequence Number. 同时，这个值也代表了接收方的接收窗口的上限
[last sequence number expected on an incoming segment, and is the right or upper edge of the receive window]

对于数据发送方

在发送了 TCP 数据之后，正常情况下，我们都会收到相应的 ACK.

接收到的 ACK 需要满足条件: SND.UNA < SEG.ACK =< SND.NEXT

当一个处于重传队列的段的SEQ + 它的长度的和小于 ACK 的值，那么这个段已经被对方成功接收，可以从重传队列中移除。

对于数据接收方

接收到的段中包含的 SEQ 需要满足以下条件:
RCV.NXT =< SEG.SEQ < RCV.NXT+RCV.WND (确保接收到的数据的第一个字节的 SEQ 处于接收窗口中)
OR
RCV.NXT =< SEG.SEQ+SEG.LEN-1 < RCV.NXT+RCV.WND （确保接收到的数据的最后一个字节的 SEQ 处于接收窗口中）

满足上述条件中任何一个条件，便可以判断当前接受到的数据部分处于接收窗口.

实际情况中，我们还需要考虑接收窗口为 0 和空 TCP 段的情况. 那么就需要考虑以下四种情况：

Seg Len	Rcv Wnd	Test
0	0	SEG.SEQ = RCV.NXT
0	>0	RCV.NXT =< SEG.SEQ < RCV.NXT+RCV.WND
>0	0	not acceptable
>0	>0	RCV.NXT =< SEG.SEQ < RCV.NXT + RCV.WND OR RCV.NXT =< SEG.SEQ+SEG.LEN-1<RCV.NXT+RCV.WND

注意，当接收窗口为 0 之后，除了ACK之外，无法接收任何其他 TCP 段. (对于上表第三条)

Initial Sequence Number Selection

TCP 协议并不限制在 TCP 的实现中重复使用同一个连接. 一个连接仅仅由一对 socket 标识. (新的连接被成为前一个连接的“化身”[incarnation]) 但是存在一个问题：如何判断一个TCP段来自前一个连接还是前一个连接的化身? 当一个连接被快速的打开关闭或者一个连接由于内存不足而断掉，恢复后又重新建立的情况下，会尤其明显.

在上述问题中，很有可能两个连接使用相同的序列号发送数据。这种情况下，我们无法区分这个数据包的来源. 因此，对于 TCP 而言，选择一个合适的 Sequence Number 非常重要.

当我们尝试建立一个连接时，我们需要在SYN中附上我们选择的 Sequence Number，也就是 Initial Sequence Number，简称 ISN. ISN 的生成方法如下：

ISN 生成器以当前机器时钟为基础，粗略地每4微妙增加ISN的最低有效位.
这个生成器生成的序列会以 4.55 小时为周期重复，但是设计者认为没有TCP段可以在网络上存活超过这个时间，因此他们认为这样选择 ISN 是非常合理的.

对于每个TCP连接，都包含两个 Sequence Number，分别由 TCP 双方独立生成. 在一个 TCP 连接建立之前，双方应该回想通告自己的 Sequence Number (协议中称之为“synchronize”). 互相通告自己的 Sequence Number 需要每方均发送自己的 ISN 并收到对方发送的 ACK，以确保对方收到了己方的 ISN.
大体的流程如下：

又由于 TCP 连接是全双工的，在接收的同时可以发送数据，那么2，3步可以合并为一步。最后，就有了现在的 “三次握手" 了.

END!!!

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