TCP 協(xié)議簡述
TCP 提供面向有連接的通信傳輸，面向有連接是指在傳送數(shù)據(jù)之前必須先建立連接派敷，數(shù)據(jù)傳送完成后要釋放連接蛹批。
無論哪一方向另一方發(fā)送數(shù)據(jù)之前，都必須先在雙方之間建立一條連接。在TCP/IP協(xié)議中般眉，TCP協(xié)議提供可靠的連接服務(wù)了赵，連接是通過三次握手進(jìn)行初始化的。
同時由于TCP協(xié)議是一種面向連接的甸赃、可靠的柿汛、基于字節(jié)流的運(yùn)輸層通信協(xié)議，TCP是全雙工模式埠对，所以需要四次揮手關(guān)閉連接络断。
TCP包首部
網(wǎng)絡(luò)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，另一部分是上一層傳過來的數(shù)據(jù)项玛。首部的結(jié)構(gòu)由協(xié)議的具體規(guī)范詳細(xì)定義貌笨。在數(shù)據(jù)包的首部，明確標(biāo)明了協(xié)議應(yīng)該如何讀取數(shù)據(jù)襟沮。反過來說锥惋，看到首部，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)开伏。包首部就像協(xié)議的臉膀跌。
所以我們在學(xué)習(xí)TCP協(xié)議之前，首先要知道TCP在網(wǎng)絡(luò)傳輸中處于哪個位置固灵，以及它的協(xié)議的規(guī)范捅伤，下面我們就看看TCP首部的網(wǎng)絡(luò)傳輸起到的作用：
下面的圖是TCP頭部的規(guī)范定義，它定義了TCP協(xié)議如何讀取和解析數(shù)據(jù)：
TCP首部承載這TCP協(xié)議需要的各項(xiàng)信息巫玻，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丛忆，源端口號）+ （目地IP，目的端口號）
所以TCP首部預(yù)留了兩個16位作為端口號的存儲仍秤，而IP地址由上一層IP協(xié)議負(fù)責(zé)傳遞
源端口號和目地端口各占16位兩個字節(jié)熄诡，也就是端口的范圍是2^16=65535
另外1024以下是系統(tǒng)保留的，從1024-65535是用戶使用的端口范圍TCP的序號和確認(rèn)號：
32位序號 seq：Sequence number 縮寫seq 徒扶，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)的序號粮彤，通過這個來確認(rèn)發(fā)送的數(shù)據(jù)有序，比如現(xiàn)在序列號為1000姜骡，發(fā)送了1000导坟，下一個序列號就是2000。
32位確認(rèn)號 ack：Acknowledge number 縮寫ack圈澈，TCP對上一次seq序號做出的確認(rèn)號惫周，用來響應(yīng)TCP報文段，給收到的TCP報文段的序號seq加1康栈。-
TCP的標(biāo)志位
每個TCP段都有一個目的递递，這是借助于TCP標(biāo)志位選項(xiàng)來確定的喷橙，允許發(fā)送方或接收方指定哪些標(biāo)志應(yīng)該被使用，以便段被另一端正確處理登舞。
用的最廣泛的標(biāo)志是 SYN贰逾，ACK 和 FIN，用于建立連接菠秒，確認(rèn)成功的段傳輸疙剑，最后終止連接。-
SYN：簡寫為
S践叠，同步標(biāo)志位言缤，用于建立會話連接，同步序列號禁灼； -
ACK： 簡寫為
.管挟，確認(rèn)標(biāo)志位，對已接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行確認(rèn)弄捕； -
FIN： 簡寫為
F僻孝，完成標(biāo)志位，表示我已經(jīng)沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送了察藐，即將關(guān)閉連接皮璧； - PSH：簡寫為
P舟扎，推送標(biāo)志位分飞，表示該數(shù)據(jù)包被對方接收后應(yīng)立即交給上層應(yīng)用，而不在緩沖區(qū)排隊(duì)睹限； - RST：簡寫為
R譬猫，重置標(biāo)志位，用于連接復(fù)位羡疗、拒絕錯誤和非法的數(shù)據(jù)包染服； - URG：簡寫為
U，緊急標(biāo)志位叨恨，表示數(shù)據(jù)包的緊急指針域有效柳刮，用來保證連接不被阻斷，并督促中間設(shè)備盡快處理痒钝；
-
SYN：簡寫為
TCP 三次握手建立連接
所謂三次握手(Three-way Handshake)秉颗，是指建立一個 TCP 連接時，需要客戶端和服務(wù)器總共發(fā)送3個報文送矩。
三次握手的目的是連接服務(wù)器指定端口蚕甥，建立 TCP 連接，并同步連接雙方的序列號和確認(rèn)號栋荸，交換 TCP 窗口大小信息菇怀。在 socket 編程中凭舶，客戶端執(zhí)行 connect() 時。將觸發(fā)三次握手爱沟。
三次握手過程的示意圖如下：
第一次握手：
客戶端將TCP報文標(biāo)志位SYN置為1帅霜，隨機(jī)產(chǎn)生一個序號值seq=J，保存在TCP首部的序列號(Sequence Number)字段里呼伸，指明客戶端打算連接的服務(wù)器的端口义屏，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給服務(wù)器端，發(fā)送完畢后蜂大，客戶端進(jìn)入SYN_SENT狀態(tài)闽铐，等待服務(wù)器端確認(rèn)。第二次握手：
服務(wù)器端收到數(shù)據(jù)包后由標(biāo)志位SYN=1知道客戶端請求建立連接奶浦，服務(wù)器端將TCP報文標(biāo)志位SYN和ACK都置為1兄墅，ack=J+1，隨機(jī)產(chǎn)生一個序號值seq=K澳叉，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給客戶端以確認(rèn)連接請求隙咸，服務(wù)器端進(jìn)入SYN_RCVD狀態(tài)。第三次握手：
客戶端收到確認(rèn)后成洗，檢查ack是否為J+1五督，ACK是否為1，如果正確則將標(biāo)志位ACK置為1瓶殃，ack=K+1充包，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給服務(wù)器端，服務(wù)器端檢查ack是否為K+1遥椿，ACK是否為1基矮，如果正確則連接建立成功，客戶端和服務(wù)器端進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)冠场，完成三次握手家浇，隨后客戶端與服務(wù)器端之間可以開始傳輸數(shù)據(jù)了。
注意:我們上面寫的ack和ACK碴裙，不是同一個概念：
- 小寫的ack代表的是頭部的確認(rèn)號Acknowledge number钢悲， 縮寫ack，是對上一個包的序號進(jìn)行確認(rèn)的號舔株，ack=seq+1莺琳。
- 大寫的ACK，則是我們上面說的TCP首部的標(biāo)志位督笆，用于標(biāo)志的TCP包是否對上一個包進(jìn)行了確認(rèn)操作芦昔，如果確認(rèn)了，則把ACK標(biāo)志位設(shè)置成1娃肿。
下面我自己做實(shí)驗(yàn)咕缎，開一個HTTP服務(wù)珠十，監(jiān)聽80端口，然后使用Tcpdump命令抓包凭豪，看一下TCP三次握手的過程：
sudo tcpdump -n -t -S -i enp0s3 port 80
第一次握手焙蹭，標(biāo)志位Flags=S
IP 10.0.2.2.51323 > 10.0.2.15.80: Flags [S], seq 84689409, win 65535, options [mss 1460], length 0
第二次握手，標(biāo)志位Flags=[S.]
IP 10.0.2.15.80 > 10.0.2.2.51323: Flags [S.], seq 1893430205, ack 84689410, win 64240, options [mss 1460], length 0
第三次握手嫂伞，標(biāo)志位Flags=[.]
IP 10.0.2.2.51323 > 10.0.2.15.80: Flags [.], ack 1893430206, win 65535, length 0
建立連接后孔厉，客戶端發(fā)送http請求
IP 10.0.2.2.51321 > 10.0.2.15.80: Flags [P.], seq 1:753, ack 1, win 65535, length 752: HTTP: GET / HTTP/1.1
tcpdump命令解析一下：
-i : 指定抓包的網(wǎng)卡是enp0s3
-n: 把域名轉(zhuǎn)成IP顯示
-t: 不顯示時間
-S: 序列號使用絕對數(shù)值，不指定-S的話帖努，序列號會使用相對的數(shù)值
port: 指定監(jiān)聽端口是80
host:指定監(jiān)聽的主機(jī)名
我們看下實(shí)戰(zhàn)中TCP的三次握手過程：
- 第一次握手撰豺，客戶端51323端口號向服務(wù)器端80號端口發(fā)起連接，此時標(biāo)志位flags=S拼余，即SYN=1標(biāo)志污桦，表示向服務(wù)端發(fā)起連接的請求，同時生成序列號seq=84689409
- 第二次握手匙监，服務(wù)端標(biāo)志位flags=[S.]凡橱，即SYN+ACK標(biāo)志位設(shè)置為1，表示對上一個請求連接的報文進(jìn)行確認(rèn)亭姥，同時設(shè)置ack=seq+1=184689410稼钩，生成序列號seq=1893430205
- 第三次握手，客戶端對服務(wù)端的響應(yīng)進(jìn)行確認(rèn)达罗，所以此時標(biāo)志位是[.]即ACK=1坝撑，同時返回對上一個報文的seq的確認(rèn)號，ack=1893430206
至此氮块，三次握手完成绍载，一個TCP連接建立完成，接下來就是雙端傳輸數(shù)據(jù)了
為什么需要三次握手滔蝉？
我們假設(shè)client發(fā)出的第一個連接請求報文段并沒有丟失，而是在某個網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)長時間的滯留了塔沃，以致延誤到連接釋放以后的某個時間才到達(dá)server蝠引。
本來這是一個早已失效的報文段。但server收到此失效的連接請求報文段后蛀柴，就誤認(rèn)為是client再次發(fā)出的一個新的連接請求螃概。于是就向client發(fā)出確認(rèn)報文段，同意建立連接鸽疾。
假設(shè)不采用“三次握手”吊洼，那么只要server發(fā)出確認(rèn)，新的連接就建立了制肮。由于現(xiàn)在client并沒有發(fā)出建立連接的請求冒窍，因此不會理睬server的確認(rèn)递沪，也不會向server發(fā)送數(shù)據(jù)。但server卻以為新的運(yùn)輸連接已經(jīng)建立综液，并一直等待client發(fā)來數(shù)據(jù)款慨。這樣，server的很多資源就白白浪費(fèi)掉了谬莹。
所以檩奠，采用“三次握手”的辦法可以防止上述現(xiàn)象發(fā)生。例如剛才那種情況附帽，client不會向server的確認(rèn)發(fā)出確認(rèn)埠戳。server由于收不到確認(rèn)，就知道client并沒有要求建立連接蕉扮。
TCP 三次握手跟現(xiàn)實(shí)生活中的人與人打電話是很類似的：
三次握手：
“喂乞而，你聽得到嗎？”
“我聽得到呀慢显，你聽得到我嗎爪模？”
“我能聽到你，今天 balabala……”
經(jīng)過三次的互相確認(rèn)荚藻，大家就會認(rèn)為對方對聽的到自己說話屋灌，并且愿意下一步溝通，否則应狱，對話就不一定能正常下去了共郭。
TCP 四次揮手關(guān)閉連接
四次揮手即終止TCP連接，就是指斷開一個TCP連接時疾呻，需要客戶端和服務(wù)端總共發(fā)送4個包以確認(rèn)連接的斷開除嘹。在socket編程中，這一過程由客戶端或服務(wù)端任一方執(zhí)行close來觸發(fā)岸蜗。
由于TCP連接是全雙工的尉咕，因此，每個方向都必須要單獨(dú)進(jìn)行關(guān)閉璃岳，這一原則是當(dāng)一方完成數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)后年缎，發(fā)送一個FIN來終止這一方向的連接，收到一個FIN只是意味著這一方向上沒有數(shù)據(jù)流動了铃慷，即不會再收到數(shù)據(jù)了单芜，但是在這個TCP連接上仍然能夠發(fā)送數(shù)據(jù)，直到這一方向也發(fā)送了FIN犁柜。首先進(jìn)行關(guān)閉的一方將執(zhí)行主動關(guān)閉洲鸠，而另一方則執(zhí)行被動關(guān)閉。
四次揮手過程的示意圖如下：
揮手請求可以是Client端馋缅，也可以是Server端發(fā)起的扒腕，我們假設(shè)是Client端發(fā)起：
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第一次揮手： Client端發(fā)起揮手請求绢淀，向Server端發(fā)送標(biāo)志位是FIN報文段，設(shè)置序列號seq袜匿，此時更啄，Client端進(jìn)入
FIN_WAIT_1狀態(tài)，這表示Client端沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送給Server端了居灯。 -
第二次分手：Server端收到了Client端發(fā)送的FIN報文段祭务，向Client端返回一個標(biāo)志位是ACK的報文段，ack設(shè)為seq加1怪嫌，Client端進(jìn)入
FIN_WAIT_2狀態(tài)义锥，Server端告訴Client端，我確認(rèn)并同意你的關(guān)閉請求岩灭。 -
第三次分手： Server端向Client端發(fā)送標(biāo)志位是FIN的報文段拌倍，請求關(guān)閉連接，同時Client端進(jìn)入
LAST_ACK狀態(tài)噪径。 -
第四次分手 ： Client端收到Server端發(fā)送的FIN報文段柱恤，向Server端發(fā)送標(biāo)志位是ACK的報文段，然后Client端進(jìn)入
TIME_WAIT狀態(tài)找爱。Server端收到Client端的ACK報文段以后梗顺，就關(guān)閉連接。此時车摄，Client端等待2MSL的時間后依然沒有收到回復(fù)寺谤，則證明Server端已正常關(guān)閉，那好吮播，Client端也可以關(guān)閉連接了变屁。
為什么連接的時候是三次握手，關(guān)閉的時候卻是四次握手意狠？
建立連接時因?yàn)楫?dāng)Server端收到Client端的SYN連接請求報文后粟关，可以直接發(fā)送SYN+ACK報文。其中ACK報文是用來應(yīng)答的摄职，SYN報文是用來同步的誊役。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谷市、可靠的、基于字節(jié)流的運(yùn)輸層通信協(xié)議击孩，TCP是全雙工模式迫悠。
這就意味著，關(guān)閉連接時巩梢，當(dāng)Client端發(fā)出FIN報文段時创泄，只是表示Client端告訴Server端數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢了艺玲。當(dāng)Server端收到FIN報文并返回ACK報文段，表示它已經(jīng)知道Client端沒有數(shù)據(jù)發(fā)送了鞠抑，但是Server端還是可以發(fā)送數(shù)據(jù)到Client端的饭聚，所以Server很可能并不會立即關(guān)閉SOCKET，直到Server端把數(shù)據(jù)也發(fā)送完畢搁拙。
當(dāng)Server端也發(fā)送了FIN報文段時秒梳，這個時候就表示Server端也沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送了，就會告訴Client端箕速，我也沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送了酪碘，之后彼此就會愉快的中斷這次TCP連接。
為什么要等待2MSL盐茎？
MSL：報文段最大生存時間兴垦，它是任何報文段被丟棄前在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的最長時間。
有以下兩個原因：
-
第一點(diǎn)：保證TCP協(xié)議的全雙工連接能夠可靠關(guān)閉：
由于IP協(xié)議的不可靠性或者是其它網(wǎng)絡(luò)原因字柠，導(dǎo)致了Server端沒有收到Client端的ACK報文探越，那么Server端就會在超時之后重新發(fā)送FIN，如果此時Client端的連接已經(jīng)關(guān)閉處于CLOESD狀態(tài)窑业，那么重發(fā)的FIN就找不到對應(yīng)的連接了钦幔，從而導(dǎo)致連接錯亂，所以数冬，Client端發(fā)送完最后的ACK不能直接進(jìn)入CLOSED狀態(tài)节槐，而要保持TIME_WAIT，當(dāng)再次收到FIN的收拐纱，能夠保證對方收到ACK铜异，最后正確關(guān)閉連接。 -
第二點(diǎn)：保證這次連接的重復(fù)數(shù)據(jù)段從網(wǎng)絡(luò)中消失
如果Client端發(fā)送最后的ACK直接進(jìn)入CLOSED狀態(tài)秸架，然后又再向Server端發(fā)起一個新連接揍庄，這時不能保證新連接的與剛關(guān)閉的連接的端口號是不同的，也就是新連接和老連接的端口號可能一樣了东抹，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(luò)中蚂子，這些延遲數(shù)據(jù)在建立新連接后到達(dá)Client端，由于新老連接的端口號和IP都一樣缭黔，TCP協(xié)議就認(rèn)為延遲數(shù)據(jù)是屬于新連接的食茎，新連接就會接收到臟數(shù)據(jù)，這樣就會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包混亂馏谨。所以TCP連接需要在TIME_WAIT狀態(tài)等待2倍MSL别渔，才能保證本次連接的所有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中消失。
