????????TCP是一種面向連接的唠帝、可靠的屯掖、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議，在發(fā)送數(shù)據(jù)前襟衰，通信雙方必須在彼此間建立一條連接贴铜。所謂的“連接”，其實(shí)是客戶端和服務(wù)端保存的一份關(guān)于對(duì)方的信息右蒲，如ip地址阀湿、端口號(hào)等赶熟。

????????一個(gè)TCP連接通常分為三個(gè)階段：連接瑰妄、數(shù)據(jù)傳輸、退出（關(guān)閉）映砖。通過三次握手建立一個(gè)鏈接间坐，通過四次揮手來關(guān)閉一個(gè)連接。

1.TCP報(bào)文的頭部結(jié)構(gòu)

在了解TCP連接之前先來了解一下TCP報(bào)文的頭部結(jié)構(gòu)邑退。

TCPHeader.png

1.1 端口號(hào)（16位）

????????源端口號(hào)標(biāo)示這段報(bào)文來自哪里竹宋；目的端口號(hào)標(biāo)示這段報(bào)文要發(fā)往哪里。進(jìn)行tcp通信時(shí)地技，一般客戶端是通過系統(tǒng)自動(dòng)選擇的臨時(shí)端口號(hào)蜈七，而服務(wù)器一般是使用指定的端口號(hào)。

1.2 序列號(hào)seq（32位）

????????因?yàn)門CP使用IP來傳輸報(bào)文段莫矗，而IP不能過濾掉重復(fù)的報(bào)文飒硅，也不能保證報(bào)文的順序砂缩。比如客戶端給服務(wù)端發(fā)送一條5kb的數(shù)據(jù)，如果tcp一次只能發(fā)1kb三娩，那就要將數(shù)據(jù)分成5段分5次來發(fā)庵芭，將這5段數(shù)據(jù)分別編號(hào)為1、2雀监、3双吆、4、5会前，發(fā)送的時(shí)候按照這個(gè)順序進(jìn)行發(fā)送好乐，服務(wù)端收到的順序可能就是13254，也就是說服務(wù)端收到的順序和發(fā)送的順序可能是不一致的瓦宜，甚至因?yàn)槟承┮蛩?比如客戶端沒收到服務(wù)端回復(fù)的ACK數(shù)據(jù)包就會(huì)重發(fā)數(shù)據(jù))導(dǎo)致服務(wù)端收到多個(gè)編號(hào)相同的數(shù)據(jù)曹宴。

????????那這樣的話服務(wù)端收到全部數(shù)據(jù)后要如何將它們拼接成正確的數(shù)據(jù)呢？這里就用到了序列號(hào)歉提。首先序列號(hào)被系統(tǒng)初始化為一個(gè)隨機(jī)值ISN笛坦，一個(gè)報(bào)文的序列號(hào)就是ISN+這個(gè)報(bào)文攜帶的數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)的偏移量。比如上面所說的例子要發(fā)5個(gè)報(bào)文苔巨，第一個(gè)報(bào)文的第一個(gè)字節(jié)的偏移量為0版扩，序列號(hào)就是ISA+0；由于第一個(gè)報(bào)文攜帶的數(shù)據(jù)大小是1kb(1024)侄泽，所以第二個(gè)報(bào)文的第一個(gè)字節(jié)的偏移量就是1024礁芦，序列號(hào)就是ISA+1024，以此類推悼尾。（注意實(shí)際上三次握手時(shí)是會(huì)占據(jù)一個(gè)序列號(hào)的柿扣，所以實(shí)際上正式發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)第一個(gè)報(bào)文的序列號(hào)是ISA+1+0，這里為了方便理解就不考慮三次握手時(shí)占據(jù)的那個(gè)序列號(hào)）闺魏。

1.3 確認(rèn)號(hào)ack（32位）

????????還是用前面的例子未状，服務(wù)端收到客戶端發(fā)過來的報(bào)文后需要給客戶端回復(fù)一個(gè)ack數(shù)據(jù)包，回復(fù)報(bào)文的確認(rèn)號(hào)的值等于服務(wù)端收到的報(bào)文的序列號(hào)的值+1析桥，比如服務(wù)端當(dāng)前收到的報(bào)文的序列號(hào)是ISN+2048(也就是第3段數(shù)據(jù))司草，那么它回復(fù)客戶端的報(bào)文的確認(rèn)號(hào)的值就是ISN+2048+1，其作用就是告訴客戶端ISN+2048+1之前的所有數(shù)據(jù)都已經(jīng)收到了泡仗。

????????關(guān)于ack回復(fù)有幾點(diǎn)需要說明(下面客戶端為發(fā)送端埋虹，服務(wù)端為接收端)：

a.客戶端發(fā)送一個(gè)報(bào)文后并不需要等服務(wù)端的ack回復(fù)就可以接著發(fā)下一條報(bào)文。

b.服務(wù)端回復(fù)ack時(shí)娩怎，必須要確保確認(rèn)號(hào)之前的數(shù)據(jù)全部已經(jīng)收到了搔课，比如上面的例子，如果序列號(hào)是ISN+2048的報(bào)文收到了截亦，但是ISN+1024的報(bào)文還沒收到爬泥，那就不能回復(fù)ISN+2048+1的ack旦事。

c.服務(wù)端在收到數(shù)據(jù)后不是立即給客戶端發(fā)送ack的，一般會(huì)有200ms的延遲(系統(tǒng)有個(gè)定時(shí)器每隔200ms來檢查是否需要發(fā)送ack包)急灭。這么做是因?yàn)門CP數(shù)據(jù)包到達(dá)的順序是不保證的姐浮，就比如上面必須要等ISN+1024的數(shù)據(jù)收到了才能回復(fù)ISN+2048+1的ack，這個(gè)時(shí)候就只用回復(fù)ISN+2048+1這一個(gè)ack就可以了葬馋，不需要回復(fù)ISN+1024+1的ack了卖鲤，因?yàn)榛貜?fù)ISN+2048+1的ack就已經(jīng)告訴客戶端ISN+2048+1之前的數(shù)據(jù)已經(jīng)全部收到了，這樣做還可以減少網(wǎng)絡(luò)流量畴嘶。當(dāng)然如果ISN+1024的數(shù)據(jù)丟包導(dǎo)致服務(wù)端一直沒收到蛋逾，那客戶端也就一直收不到ack回復(fù)，客戶端就會(huì)從上次收到的ack回復(fù)開始重發(fā)數(shù)據(jù)窗悯，包括服務(wù)端已經(jīng)收到的ISN+2048數(shù)據(jù)也會(huì)重發(fā)区匣。另外如果服務(wù)端剛好也有數(shù)據(jù)要發(fā)給客戶端，那么就會(huì)在發(fā)送數(shù)據(jù)的TCP數(shù)據(jù)包里帶上ack信息蒋院。

1.4 頭部長(zhǎng)度（4位）

頭部長(zhǎng)度是以32bit(4字節(jié))為一個(gè)單位亏钩，頭部長(zhǎng)度的值表示TCP頭部總共多少個(gè)32bit，4位的最大是二進(jìn)制1111(十進(jìn)制15)欺旧，TCP頭部最大為15*32/8個(gè)字節(jié)姑丑，也就是60字節(jié)。TCP頭部前面20個(gè)字節(jié)是固定的辞友，TCP頭部最小也就是20個(gè)字節(jié)吩抓。

1.5 六個(gè)標(biāo)志位（每個(gè)標(biāo)志占1位蒿偎，每個(gè)標(biāo)志只有0和1兩種狀態(tài)）

URG：為1時(shí)表示緊急指針有效性雄。

ACK：為1時(shí)表示確認(rèn)號(hào)是有效的因篇，攜帶ACK標(biāo)志的報(bào)文段也稱確認(rèn)報(bào)文段。

PSH：為1時(shí)是提示接收端應(yīng)用程序應(yīng)該立即從TCP接受緩沖區(qū)中讀走數(shù)據(jù)鲫尊，為后續(xù)接收的數(shù)據(jù)讓出空間痴柔。

RST：為1時(shí)表示通知對(duì)方關(guān)閉連接或重新建立連接。帶RST標(biāo)志的TCP報(bào)文段也叫復(fù)位報(bào)文段马昨。很多異常情況都會(huì)導(dǎo)致無(wú)法建立TCP連接或者TCP連接異常終止竞帽，比如客戶端請(qǐng)求中使用了一個(gè)不存在的端口，那服務(wù)端就可以發(fā)送RST報(bào)文段拒絕這個(gè)請(qǐng)求鸿捧；再比如TCP連接很久沒有傳輸數(shù)據(jù)了，可以發(fā)送RST報(bào)文段來終止這個(gè)連接疙渣；還比如TCP連接出現(xiàn)了一次匙奴，然后服務(wù)端希望終止這條異常的鏈接，可以發(fā)送RST報(bào)文段來終止這個(gè)連接妄荔。注意一旦發(fā)送了復(fù)位報(bào)文段泼菌，發(fā)送端所有排隊(duì)等待發(fā)送的數(shù)據(jù)都將被丟棄谍肤，而且發(fā)送完RST報(bào)文后TCP連接就關(guān)閉了，所以接收端收到RST報(bào)文后也就沒有必要發(fā)送ACK包來確認(rèn)了哗伯。

SYN：為1表示建立一個(gè)連接荒揣，攜帶SYN標(biāo)志的報(bào)文段為同步報(bào)文段。SYN標(biāo)志位只有在TCP建立連接時(shí)(也就是三次握手的時(shí)候)才會(huì)被置為1焊刹，客戶端請(qǐng)求建立連接時(shí)(第一次握手)的報(bào)文就攜帶SYN標(biāo)志和初始化的序列號(hào)(也就是起始序列號(hào))系任，SYN標(biāo)志是提醒服務(wù)端記住客戶端的起始序列號(hào)。然后服務(wù)端也會(huì)初始化自己的起始序列號(hào)并回復(fù)客戶端一條報(bào)文(第二次握手)虐块，這條報(bào)文包含服務(wù)端的起始序列號(hào)俩滥、SYN標(biāo)志位和ACK標(biāo)志位，其中SYN標(biāo)志位用來提醒客戶端記住服務(wù)端的起始序列號(hào)贺奠。

FIN：為1時(shí)用來告知對(duì)方本端要關(guān)閉連接了霜旧。

1.6 窗口大小（16位）

窗口大小可以理解為自己接收數(shù)據(jù)的緩存區(qū)大小儡率，用來告訴對(duì)方自己最大還能接收多少數(shù)據(jù)挂据，如果對(duì)方發(fā)送的數(shù)據(jù)超過了窗口大小，那這個(gè)數(shù)據(jù)會(huì)被丟棄儿普。當(dāng)窗口大小為0時(shí)對(duì)方會(huì)暫停發(fā)送數(shù)據(jù)棱貌，直到窗口大小大于0時(shí)才會(huì)恢復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

1.7 校驗(yàn)和（16位）

發(fā)送端對(duì)TCP報(bào)文(包括TCP頭部和數(shù)據(jù)部分)執(zhí)行CRC算法得到校驗(yàn)和箕肃，接收端收到報(bào)文后對(duì)報(bào)文執(zhí)行同樣的算法婚脱，將結(jié)果與校驗(yàn)和進(jìn)行比對(duì)，兩者一致說明TCP報(bào)文段在傳輸過程中沒有損壞勺像，如果不一致那么這段TCP報(bào)文段會(huì)被直接丟棄障贸。

1.8 緊急指針（16位）

只有當(dāng)URG標(biāo)志位為1時(shí)緊急指針才是有意義的，緊急指針指向緊急數(shù)據(jù)最后一個(gè)字節(jié)的下一位吟宦。準(zhǔn)確來說緊急指針的值其實(shí)是一個(gè)相對(duì)于序列號(hào)的偏移量篮洁，比如說緊急指針的值是5，如果這個(gè)報(bào)文段的序列號(hào)seq=10殃姓，那就表示緊急指針指向的是15這個(gè)位置的字節(jié)袁波，這就意味著10到14這段數(shù)據(jù)是緊急數(shù)據(jù)。緊急數(shù)據(jù)是不進(jìn)入緩存區(qū)的蜗侈。（注：關(guān)于緊急指針的指向和緊急數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度網(wǎng)上有不同的說法篷牌，我這里也不能確定哪種是正確的）。

1.9 TCP頭部選項(xiàng)

TCP頭部選項(xiàng)時(shí)長(zhǎng)度可變的可選信息踏幻，最多包含40個(gè)字節(jié)枷颊。典型的TCP頭部選項(xiàng)包含kind、length和info三個(gè)部分，kind表示選項(xiàng)的類型夭苗，length表示選項(xiàng)的長(zhǎng)度信卡，info表示選項(xiàng)的具體內(nèi)容。

2. 三次握手

三次握手.png

3. 四次揮手

四次揮手.jpeg

比如客戶端初始化的序列號(hào)ISA=100譬淳，服務(wù)端初始化的序列號(hào)ISA=300档址。TCP連接成功后客戶端總共發(fā)送了1000個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，服務(wù)端在客戶端發(fā)FIN報(bào)文前總共回復(fù)了2000個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)邻梆。

第一次揮手：當(dāng)客戶端的數(shù)據(jù)都傳輸完成后守伸，客戶端向服務(wù)端發(fā)出連接釋放報(bào)文(當(dāng)然數(shù)據(jù)沒發(fā)完時(shí)也可以發(fā)送連接釋放報(bào)文并停止發(fā)送數(shù)據(jù))，釋放連接報(bào)文包含F(xiàn)IN標(biāo)志位(FIN=1)确虱、序列號(hào)seq=1101(100+1+1000含友，其中的1是建立連接時(shí)占的一個(gè)序列號(hào))替裆。需要注意的是客戶端發(fā)出FIN報(bào)文段后只是不能發(fā)數(shù)據(jù)了校辩，但是還可以正常收數(shù)據(jù)窘问；另外FIN報(bào)文段即使不攜帶數(shù)據(jù)也要占據(jù)一個(gè)序列號(hào)。
第二次揮手：服務(wù)端收到客戶端發(fā)的FIN報(bào)文后給客戶端回復(fù)確認(rèn)報(bào)文宜咒，確認(rèn)報(bào)文包含ACK標(biāo)志位(ACK=1)惠赫、確認(rèn)號(hào)ack=1102(客戶端FIN報(bào)文序列號(hào)1101+1)、序列號(hào)seq=2300(300+2000)故黑。此時(shí)服務(wù)端處于關(guān)閉等待狀態(tài)儿咱，而不是立馬給客戶端發(fā)FIN報(bào)文，這個(gè)狀態(tài)還要持續(xù)一段時(shí)間场晶，因?yàn)榉?wù)端可能還有數(shù)據(jù)沒發(fā)完混埠。
第三次揮手：服務(wù)端將最后數(shù)據(jù)(比如50個(gè)字節(jié))發(fā)送完畢后就向客戶端發(fā)出連接釋放報(bào)文，報(bào)文包含F(xiàn)IN和ACK標(biāo)志位(FIN=1,ACK=1)诗轻、確認(rèn)號(hào)和第二次揮手一樣ack=1102钳宪、序列號(hào)seq=2350(2300+50)。
第四次揮手：客戶端收到服務(wù)端發(fā)的FIN報(bào)文后扳炬，向服務(wù)端發(fā)出確認(rèn)報(bào)文吏颖，確認(rèn)報(bào)文包含ACK標(biāo)志位(ACK=1)、確認(rèn)號(hào)ack=2351恨樟、序列號(hào)seq=1102半醉。注意客戶端發(fā)出確認(rèn)報(bào)文后不是立馬釋放TCP連接，而是要經(jīng)過2MSL(最長(zhǎng)報(bào)文段壽命的2倍時(shí)長(zhǎng))后才釋放TCP連接劝术。而服務(wù)端一旦收到客戶端發(fā)出的確認(rèn)報(bào)文就會(huì)立馬釋放TCP連接缩多，所以服務(wù)端結(jié)束TCP連接的時(shí)間要比客戶端早一些。

4. 常見面試題

4.1 為什么TCP連接的時(shí)候是3次养晋？2次不可以嗎衬吆？

因?yàn)樾枰紤]連接時(shí)丟包的問題，如果只握手2次匙握，第二次握手時(shí)如果服務(wù)端發(fā)給客戶端的確認(rèn)報(bào)文段丟失咆槽，此時(shí)服務(wù)端已經(jīng)準(zhǔn)備好了收發(fā)數(shù)(可以理解服務(wù)端已經(jīng)連接成功)據(jù)，而客戶端一直沒收到服務(wù)端的確認(rèn)報(bào)文圈纺，所以客戶端就不知道服務(wù)端是否已經(jīng)準(zhǔn)備好了(可以理解為客戶端未連接成功)秦忿，這種情況下客戶端不會(huì)給服務(wù)端發(fā)數(shù)據(jù)，也會(huì)忽略服務(wù)端發(fā)過來的數(shù)據(jù)蛾娶。

如果是三次握手灯谣，即便發(fā)生丟包也不會(huì)有問題，比如如果第三次握手客戶端發(fā)的確認(rèn)ack報(bào)文丟失蛔琅，服務(wù)端在一段時(shí)間內(nèi)沒有收到確認(rèn)ack報(bào)文的話就會(huì)重新進(jìn)行第二次握手胎许，也就是服務(wù)端會(huì)重發(fā)SYN報(bào)文段，客戶端收到重發(fā)的報(bào)文段后會(huì)再次給服務(wù)端發(fā)送確認(rèn)ack報(bào)文。

4.2 為什么TCP連接的時(shí)候是3次辜窑，關(guān)閉的時(shí)候卻是4次钩述？

因?yàn)橹挥性诳蛻舳撕头?wù)端都沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送的時(shí)候才能斷開TCP。而客戶端發(fā)出FIN報(bào)文時(shí)只能保證客戶端沒有數(shù)據(jù)發(fā)了穆碎，服務(wù)端還有沒有數(shù)據(jù)發(fā)客戶端是不知道的牙勘。而服務(wù)端收到客戶端的FIN報(bào)文后只能先回復(fù)客戶端一個(gè)確認(rèn)報(bào)文來告訴客戶端我服務(wù)端已經(jīng)收到你的FIN報(bào)文了，但我服務(wù)端還有一些數(shù)據(jù)沒發(fā)完所禀，等這些數(shù)據(jù)發(fā)完了服務(wù)端才能給客戶端發(fā)FIN報(bào)文(所以不能一次性將確認(rèn)報(bào)文和FIN報(bào)文發(fā)給客戶端方面，就是這里多出來了一次)。

4.3 為什么客戶端發(fā)出第四次揮手的確認(rèn)報(bào)文后要等2MSL的時(shí)間才能釋放TCP連接色徘？

這里同樣是要考慮丟包的問題恭金，如果第四次揮手的報(bào)文丟失，服務(wù)端沒收到確認(rèn)ack報(bào)文就會(huì)重發(fā)第三次揮手的報(bào)文褂策，這樣報(bào)文一去一回最長(zhǎng)時(shí)間就是2MSL横腿，所以需要等這么長(zhǎng)時(shí)間來確認(rèn)服務(wù)端確實(shí)已經(jīng)收到了。

4.4 如果已經(jīng)建立了連接辙培，但是客戶端突然出現(xiàn)故障了怎么辦蔑水？

TCP設(shè)有一個(gè)保活計(jì)時(shí)器扬蕊，客戶端如果出現(xiàn)故障搀别，服務(wù)器不能一直等下去，白白浪費(fèi)資源尾抑。服務(wù)器每收到一次客戶端的請(qǐng)求后都會(huì)重新復(fù)位這個(gè)計(jì)時(shí)器歇父，時(shí)間通常是設(shè)置為2小時(shí)，若兩小時(shí)還沒有收到客戶端的任何數(shù)據(jù)再愈，服務(wù)器就會(huì)發(fā)送一個(gè)探測(cè)報(bào)文段榜苫，以后每隔75秒鐘發(fā)送一次。若一連發(fā)送10個(gè)探測(cè)報(bào)文仍然沒反應(yīng)翎冲，服務(wù)器就認(rèn)為客戶端出了故障垂睬，接著就關(guān)閉連接。