理清 HTTP 之下的 TCP 流程，讓你的 HTTP 水平更上一層
大家都知道 HTTP 的底層是 TCP，但是可能僅限于知道，并不是真正理解它們的關系。
平時我們用 chrome devtools 的 Network 工具也只是能分析 HTTP 請求：
TCP 層的東西看不見摸不著的，所以對它的理解也模模糊糊。
那怎么能看到 TCP 層的數據包來理清 TCP 和 HTTP 的關系呢?
這里推薦一個抓包工具 WireShark，它能抓取 TCP 層的包：
今天我們就用它來抓包分析下 TCP 和 HTTP 吧!
首先，我們準備這樣一段服務端代碼：
const express = require('express')
const app = express()
app.get('/', function (req, res) {
res.setHeader('Connection', 'close')
res.end('hello world');
})
app.listen(4000)
用 express 起了一個服務，監聽 4000 端口，處理路徑為 / 的 get 請求，返回 hello world 的響應體，并設置 Connection: close 的 header。
瀏覽器訪問下：
header 和 body 都符合預期。
那 TCP 層都做了什么呢?
我們用 WireShark 抓包分析下：
打開 WireShark 后會看到有個設置按鈕：
因為我們訪問的是 localhost: 4000，所以這里選擇本地回環地址那個虛擬網卡，并輸入抓包過濾條件為 port 4000：
點擊 start 開始錄制，然后刷新一下瀏覽器：
這樣就能看到抓到的 TCP 數據包：
我們一一分析下。
在分析之前需要了解一些 TCP 基礎知識：
TCP 的頭部是這樣的：
TCP 是從端口到端口的傳輸協議，所以開始是源端口和目的端口。
接下來是序列號(sequence number)，表示當前包的序號，后面是確認的序列號(acknowledgment number)，表示我收到了序號為 xxx 的包。
然后紅框標出的部分是 flags 標識位，通過 0、1 表示有沒有：
這里我們只會用到其中的 SYN、ACK、FIN：
- SYN：請求建立一個連接(說明這是鏈接的開始)。
- ACK：表示 ack number 是否是有效的。
- FIN：表示本端要斷開鏈接了(說明這是鏈接的結束)。
有了這些，我們就知道怎么區分 TCP 鏈接的開始和結束了。
再看一下抓到的包：
有 SYN 標志位的是連接的開始，有 FIN 標志位的是連接的結束，所以我們分為 3 段來看：
首先是連接開始的部分：
大家聽過 TCP 的三次握手么?說的就是這個。
其中有一個端口是 4000，這個是服務的端口，那另一個端口 57454 明顯就是瀏覽器的端口。
首先是瀏覽器向服務器發送了一個 SYN 的 TCP 請求，表示希望建立連接，序列號 Seq 是 0。
嚴格來說，序列號的相對值是 0，絕對值是 2454579144。
然后服務器向瀏覽器發送了一個 SYN 的 TCP 請求，表示希望建立連接，ACK 是 1，代表現在的 ack number 是有效的：
這里 ack number 的相對值是 1，絕對值是 2454579145，不就是上個 TCP 數據包的 seq 加 1 么?
TCP 連接中就是通過返回 seq number + 1 作為 ack number 來確認收到的。
然后又返回了一個 seq number 給瀏覽器，相對值是 0， 絕對值是 2765691269。
瀏覽器收到后返回了一個 TCP 數據包給服務器，ack number 自然是 2765691270，代表收到了連接請求。
這樣瀏覽器和服務器各自向對方發送了 SYN 的建立連接請求，并且都收到了對方的確認，那么 TCP 連接就建立成功了。
這就是 TCP 三次握手的原理!
趁熱打鐵來看下四次揮手的部分：
瀏覽器向服務器發送了有 FIN 標志位的數據包，表示要斷開連接，然后服務端返回了 ACK 的包表示確認。
之后服務端發送了 FIN 標志位的數據包給瀏覽器，表示要斷開連接，瀏覽器也返回了 ACK 的包表示確認。
這樣就完成了四次揮手的過程。
當然，具體確認的還是靠 ack number = seq number + 1 來實現的，和上面的一樣，就不展開了：
我們通過抓包理清了 TCP 連接建立和連接的過程。
那么為什么握手是三次，揮手是四次呢?
因為揮手是一個 FIN，一個 ACK，一個 FIN + ACK，一個 ACK：
而握手是一個 SYN，一個 ACK + SYN，一個 ACK：
不過是因為握手時把 ACK 和 SYN 合并到一個數據包了而已。
那揮手時能合并成三次么?
不能!因為有兩個 ack number，怎么合并，沖突了，而握手時只有一個 ack number，自然可以合并。
接下來再來看下連接建立后的 http 請求和響應吧：
其實一次 HTTP 請求響應會有四個 TCP 數據包，其中兩個數據包與滑動窗口有關，這里先不展開了。
我們就看下 HTTP 的那兩個包吧：
請求的 seq 是這樣的：
而響應的 ack 是這樣的：
相對值是 ack number = seq number + 1 沒錯，但是絕對值不是：
絕對值 2454579855 = 2454579145 + 710，也就是 ack number = seq number + segment len。
這些細節暫時不用深究。
總之，我們知道了HTTP 的請求和響應是通過序列號關聯在一起的。
就算同一個 TCP 鏈接并行發送多個 HTTP 的請求和響應，它們也能找到各自對應的那個。就是通過這個 seq number 和 ack number。
這里為啥鏈接建立了發送了一個請求就斷掉了呢?
我刷新瀏覽器，請求了兩次，發現經歷了兩次連接的建立、http 請求響應、連接斷開：
這是因為我設置了 Connection:close 的 header，它的作用就是一次 http 請求響應結束就斷開 TCP 鏈接。
我們改成 HTTP 1.1 支持的 keep-alive 試試：
設置 Connection 為 keep-alive，然后設置 keep-alive 的細節為 timeout 10 ，也就是 10s 后斷開。
重啟服務器，再刷新下瀏覽器試試：
可以看到在一個 TCP 連接內發送了多次 http 請求響應。(通過 SYN 開始，FIN 結束)
這就是 keep-alive 的作用。
細心的同學會發現只是瀏覽器向服務器發送了 FIN 數據包，服務器沒有發給瀏覽器 FIN 數據包。
這是因為 keep-alive 的 header 只是控制的瀏覽器的斷開連接的行為，服務器的斷開連接邏輯是獨立的。
這樣，我們就理清了 HTTP 在 TCP 層面的流程，連接的建立、斷開，請求響應，還有 keep-alive。
總結
我們平時都是分析 HTTP 請求響應，TCP 對我們來說看不見摸不著的，理解的模模糊糊。
所以今天我們用 WireShark 抓了下 TCP 的包，來理清了 TCP 和 HTTP 的關系。
TCP 是從一個端口到另一個端口的傳輸控制協議，TCP header 中有序列號 seq number、確認序列號 ack number，還有幾個標志位：
- SYN 標志位代表請求建立連接
- ACK 標志位代表當前確認序列號是有效的。
- FIN 標志位代表請求斷開連接
然后我們抓了 localhost:4000 的包分析了下 HTTP 請求的 TCP 流程，理清了三次握手(SYN、SYN + ACK、ACK)，四次揮手(FIN、ACK、FIN + ACK、ACK)的連接建立、斷開的流程。知道了為什么不能三次揮手(因為兩個 ACK 沖突了)
然后還理清了同一個 TCP 連接傳輸的多個 HTTP 請求響應式通過 seq number 和 ack number 來關聯的。
之后我們分別測試了 Connection：close 和 Connection：keep-alive 的情況，發現確實 keep-alive 能減少頻繁的連接建立和斷開，能復用同一個 TCP 鏈接。
HTTP 是通過 TCP 完成端口到端口的數據傳輸的。一個 TCP 連接可以傳輸多個 HTTP 請求、響應。請求和響應的關聯是通過 TCP 包的序列號 seq。
理清了 TCP 和 HTTP 的關系，你是否對 HTTP 的理解更深了呢?
