TCP 協(xié)議簡述
TCP(Transmission Control Protocol)網(wǎng)絡傳輸控制協(xié)議，是一種面向連接的哨毁、可靠的仔燕、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議颠毙，數(shù)據(jù)傳輸前建立連接的工作要經過三次握手，數(shù)據(jù)傳輸后斷開連接的工作要經過四次揮手肌索。TCP 提供面向有連接的通信傳輸蕉拢，面向有連接是指在傳送數(shù)據(jù)之前必須先建立連接，數(shù)據(jù)傳送完成后要釋放連接诚亚。
無論哪一方向另一方發(fā)送數(shù)據(jù)之前晕换，都必須先在雙方之間建立一條連接。在TCP/IP協(xié)議中站宗，TCP協(xié)議提供可靠的連接服務闸准，連接是通過三次握手進行初始化的。同時由于TCP協(xié)議是一種面向連接的梢灭、可靠的夷家、基于字節(jié)流的運輸層通信協(xié)議蒸其，TCP是全雙工模式，所以需要四次揮手關閉連接库快。
TCP包首部
網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包由兩部分組成：一部分是協(xié)議所要用到的首部摸袁，另一部分是上一層傳過來的數(shù)據(jù)。首部的結構由協(xié)議的具體規(guī)范詳細定義义屏。在數(shù)據(jù)包的首部但惶，明確標明了協(xié)議應該如何讀取數(shù)據(jù)。反過來說湿蛔，看到首部膀曾，也就能夠了解該協(xié)議必要的信息以及所要處理的數(shù)據(jù)。包首部就像協(xié)議的臉阳啥。
下面的圖是TCP頭部的規(guī)范定義添谊，它定義了TCP協(xié)議如何讀取和解析數(shù)據(jù)：
TCP頭部
TCP首部承載這TCP協(xié)議需要的各項信息，下面我們來分析一下：
TCP端口號
TCP的連接是需要四個要素確定唯一一個連接：（源IP察迟，源端口號）+ （目地IP斩狱，目的端口號）
所以TCP首部預留了兩個16位作為端口號的存儲，而IP地址由上一層IP協(xié)議負責傳遞
源端口號和目地端口各占16位兩個字節(jié)扎瓶，也就是端口的范圍是2^16=65535
另外1024以下是系統(tǒng)保留的所踊，從1024-65535是用戶使用的端口范圍
TCP的序號和確認號：
32位序號 seq：Sequence number 縮寫seq ，TCP通信過程中某一個傳輸方向上的字節(jié)流的每個字節(jié)的序號概荷，通過這個來確認發(fā)送的數(shù)據(jù)有序秕岛，比如現(xiàn)在序列號為1000，發(fā)送了1000误证，下一個序列號就是2000继薛。
32位確認號 ack：Acknowledge number 縮寫ack，TCP對上一次seq序號做出的確認號愈捅，用來響應TCP報文段遏考，給收到的TCP報文段的序號seq加1。
TCP的標志位
每個TCP段都有一個目的蓝谨，這是借助于TCP標志位選項來確定的灌具，允許發(fā)送方或接收方指定哪些標志應該被使用，以便段被另一端正確處理譬巫。
用的最廣泛的標志是 SYN咖楣，ACK 和 FIN，用于建立連接缕题，確認成功的段傳輸截歉，最后終止連接。
SYN：簡寫為S烟零，同步標志位瘪松，用于建立會話連接咸作，同步序列號；
ACK： 簡寫為.宵睦，確認標志位记罚，對已接收的數(shù)據(jù)包進行確認；
FIN： 簡寫為F壳嚎，完成標志位桐智，表示我已經沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送了，即將關閉連接烟馅；
PSH：簡寫為P说庭，推送標志位，表示該數(shù)據(jù)包被對方接收后應立即交給上層應用郑趁，而不在緩沖區(qū)排隊刊驴；
RST：簡寫為R，重置標志位寡润，用于連接復位捆憎、拒絕錯誤和非法的數(shù)據(jù)包；
URG：簡寫為U梭纹，緊急標志位躲惰，表示數(shù)據(jù)包的緊急指針域有效，用來保證連接不被阻斷变抽，并督促中間設備盡快處理础拨；
TCP 三次握手建立連接
所謂三次握手(Three-way Handshake)，是指建立一個 TCP 連接時瞬沦，需要客戶端和服務器總共發(fā)送3個報文太伊。
三次握手的目的是連接服務器指定端口雇锡，建立 TCP 連接逛钻，并同步連接雙方的序列號和確認號，交換 TCP 窗口大小信息锰提。在 socket 編程中曙痘，客戶端執(zhí)行 connect() 時。將觸發(fā)三次握手立肘。
三次握手建立連接
第一次握手：
客戶端將TCP報文標志位SYN置為1边坤，隨機產生一個序號值seq=J，保存在TCP首部的序列號(Sequence Number)字段里谅年，指明客戶端打算連接的服務器的端口茧痒，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給服務器端，發(fā)送完畢后融蹂，客戶端進入SYN_SENT狀態(tài)旺订，等待服務器端確認弄企。
第二次握手：
服務器端收到數(shù)據(jù)包后由標志位SYN=1知道客戶端請求建立連接，服務器端將TCP報文標志位SYN和ACK都置為1区拳，ack=J+1拘领，隨機產生一個序號值seq=K，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給客戶端以確認連接請求樱调，服務器端進入SYN_RCVD狀態(tài)约素。
第三次握手：
客戶端收到確認后，檢查ack是否為J+1笆凌，ACK是否為1圣猎，如果正確則將標志位ACK置為1，ack=K+1乞而，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給服務器端样漆，服務器端檢查ack是否為K+1，ACK是否為1晦闰，如果正確則連接建立成功放祟，客戶端和服務器端進入ESTABLISHED狀態(tài)，完成三次握手呻右，隨后客戶端與服務器端之間可以開始傳輸數(shù)據(jù)了跪妥。
注意:我們上面寫的ack和ACK，不是同一個概念：
- 小寫的ack代表的是頭部的確認號Acknowledge number声滥， 縮寫ack眉撵，是對上一個包的序號進行確認的號，ack=seq+1落塑。
- 大寫的ACK纽疟，則是我們上面說的TCP首部的標志位，用于標志的TCP包是否對上一個包進行了確認操作憾赁，如果確認了污朽，則把ACK標志位設置成1奈附。
為什么需要三次握手每庆？
我們假設client發(fā)出的第一個連接請求報文段并沒有丟失稠诲，而是在某個網(wǎng)絡結點長時間的滯留了巾兆，以致延誤到連接釋放以后的某個時間才到達server痒筒。
本來這是一個早已失效的報文段惨篱。但server收到此失效的連接請求報文段后栓拜，就誤認為是client再次發(fā)出的一個新的連接請求姓建。于是就向client發(fā)出確認報文段缓溅，同意建立連接蛇损。
假設不采用“三次握手”，那么只要server發(fā)出確認，新的連接就建立了淤齐。由于現(xiàn)在client并沒有發(fā)出建立連接的請求束世，因此不會理睬server的確認，也不會向server發(fā)送數(shù)據(jù)床玻。但server卻以為新的運輸連接已經建立毁涉，并一直等待client發(fā)來數(shù)據(jù)。這樣锈死，server的很多資源就白白浪費掉了贫堰。
所以，采用“三次握手”的辦法可以防止上述現(xiàn)象發(fā)生待牵。例如剛才那種情況其屏，client不會向server的確認發(fā)出確認。server由于收不到確認缨该，就知道client并沒有要求建立連接偎行。經過三次的互相確認，大家就會認為對方對聽的到自己說話贰拿，并且愿意下一步溝通蛤袒，否則，對話就不一定能正常下去了膨更。
TCP 四次揮手關閉連接
四次揮手即終止TCP連接妙真，就是指斷開一個TCP連接時，需要客戶端和服務端總共發(fā)送4個包以確認連接的斷開荚守。在socket編程中珍德，這一過程由客戶端或服務端任一方執(zhí)行close來觸發(fā)。
由于TCP連接是全雙工的矗漾，因此锈候，每個方向都必須要單獨進行關閉，這一原則是當一方完成數(shù)據(jù)發(fā)送任務后敞贡，發(fā)送一個FIN來終止這一方向的連接泵琳，收到一個FIN只是意味著這一方向上沒有數(shù)據(jù)流動了，即不會再收到數(shù)據(jù)了嫡锌，但是在這個TCP連接上仍然能夠發(fā)送數(shù)據(jù)虑稼，直到這一方向也發(fā)送了FIN。首先進行關閉的一方將執(zhí)行主動關閉势木，而另一方則執(zhí)行被動關閉。
四次揮手關閉連接
揮手請求可以是Client端歌懒，也可以是Server端發(fā)起的啦桌，我們假設是Client端發(fā)起：
第一次揮手： Client端發(fā)起揮手請求，向Server端發(fā)送標志位是FIN報文段，設置序列號seq甫男，此時且改，Client端進入FIN_WAIT_1狀態(tài)，這表示Client端沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送給Server端了板驳。
第二次分手：Server端收到了Client端發(fā)送的FIN報文段又跛，向Client端返回一個標志位是ACK的報文段，ack設為seq加1若治，Client端進入FIN_WAIT_2狀態(tài)慨蓝，Server端告訴Client端，我確認并同意你的關閉請求端幼。
第三次分手： Server端向Client端發(fā)送標志位是FIN的報文段礼烈，請求關閉連接，同時Client端進入LAST_ACK狀態(tài)婆跑。
第四次分手 ： Client端收到Server端發(fā)送的FIN報文段此熬，向Server端發(fā)送標志位是ACK的報文段，然后Client端進入TIME_WAIT狀態(tài)滑进。Server端收到Client端的ACK報文段以后犀忱，就關閉連接。此時扶关，Client端等待2MSL的時間后依然沒有收到回復峡碉，則證明Server端已正常關閉，那好驮审，Client端也可以關閉連接了鲫寄。
為什么連接的時候是三次握手，關閉的時候卻是四次握手疯淫？
建立連接時因為當Server端收到Client端的SYN連接請求報文后地来，可以直接發(fā)送SYN+ACK報文。其中ACK報文是用來應答的熙掺，SYN報文是用來同步的未斑。所以建立連接只需要三次握手。
由于TCP協(xié)議是一種面向連接的币绩、可靠的蜡秽、基于字節(jié)流的運輸層通信協(xié)議，TCP是全雙工模式缆镣。
這就意味著芽突，關閉連接時，當Client端發(fā)出FIN報文段時董瞻，只是表示Client端告訴Server端數(shù)據(jù)已經發(fā)送完畢了寞蚌。當Server端收到FIN報文并返回ACK報文段田巴，表示它已經知道Client端沒有數(shù)據(jù)發(fā)送了，但是Server端還是可以發(fā)送數(shù)據(jù)到Client端的挟秤，所以Server很可能并不會立即關閉SOCKET壹哺，直到Server端把數(shù)據(jù)也發(fā)送完畢。
當Server端也發(fā)送了FIN報文段時艘刚，這個時候就表示Server端也沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送了管宵，就會告訴Client端，我也沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送了攀甚，之后彼此就會愉快的中斷這次TCP連接箩朴。
為什么要等待2MSL？
MSL：報文段最大生存時間云稚，它是任何報文段被丟棄前在網(wǎng)絡內的最長時間隧饼。
有以下兩個原因：
第一點：保證TCP協(xié)議的全雙工連接能夠可靠關閉：
由于IP協(xié)議的不可靠性或者是其它網(wǎng)絡原因，導致了Server端沒有收到Client端的ACK報文静陈，那么Server端就會在超時之后重新發(fā)送FIN燕雁，如果此時Client端的連接已經關閉處于CLOESD狀態(tài)，那么重發(fā)的FIN就找不到對應的連接了鲸拥，從而導致連接錯亂拐格，所以，Client端發(fā)送完最后的ACK不能直接進入CLOSED狀態(tài)刑赶，而要保持TIME_WAIT捏浊，當再次收到FIN的收，能夠保證對方收到ACK撞叨，最后正確關閉連接金踪。
第二點：保證這次連接的重復數(shù)據(jù)段從網(wǎng)絡中消失
如果Client端發(fā)送最后的ACK直接進入CLOSED狀態(tài)，然后又再向Server端發(fā)起一個新連接牵敷，這時不能保證新連接的與剛關閉的連接的端口號是不同的胡岔，也就是新連接和老連接的端口號可能一樣了，那么就可能出現(xiàn)問題：如果前一次的連接某些數(shù)據(jù)滯留在網(wǎng)絡中枷餐，這些延遲數(shù)據(jù)在建立新連接后到達Client端靶瘸，由于新老連接的端口號和IP都一樣，TCP協(xié)議就認為延遲數(shù)據(jù)是屬于新連接的毛肋，新連接就會接收到臟數(shù)據(jù)怨咪，這樣就會導致數(shù)據(jù)包混亂。所以TCP連接需要在TIME_WAIT狀態(tài)等待2倍MSL润匙，才能保證本次連接的所有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中消失诗眨。
