TCP 可靠傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)（一）TCP的三次握手和四次揮手

1爸黄、介紹TCP

TCP(Transmission Control Protocol 傳輸控制協(xié)議)是一種面向連接、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議偏陪。

TCP將通過以下方式來提供可靠性傳輸：

TCP 可靠性傳輸實(shí)現(xiàn)（一）TCP的三次握手和四次揮手酪耳；

TCP 可靠性傳輸實(shí)現(xiàn)（二）TCP的重傳機(jī)制浓恳；

http://www.reibang.com/p/f7f75a0f6384

TCP 可靠性傳輸實(shí)現(xiàn)（三）TCP的流量控制和擁塞機(jī)制；

TCP 可靠性傳輸實(shí)現(xiàn)（四）TCP的蓖氚担活機(jī)制颈将；

TCP面向連接意味著兩個使用TCP的應(yīng)用（通常是一個客戶端和一個服務(wù)器）在彼此交換數(shù)據(jù)之前必須先建立一個TCP連接。這一過程和打電話相似言疗，先撥號振鈴吆鹤，等待對方接通后說“喂”，然后才說明是誰洲守。在本文將介紹TCP是如何建立連接的疑务，以及當(dāng)一方通信結(jié)束后如何斷開連接。

2梗醇、TCP的首部

TCP數(shù)據(jù)被封裝在一個IP數(shù)據(jù)報中知允，如圖：

TCP數(shù)據(jù)在IP數(shù)據(jù)報中的封裝

下圖顯示TCP首部的數(shù)據(jù)格式。如果不計任選字段叙谨，它通常是20個字節(jié)温鸽。

TCP包首部

每個TCP段都包含源端和目的端的端口號，用于尋找發(fā)端和收端應(yīng)用程序手负。這兩個值加上IP首部中的源端IP地址和目的端IP地址唯一確定一個TCP連接涤垫。

一個IP地址和一個端口號也稱為一個插口（socket）。插口對（socket pair）（包含客戶IP地址竟终、客戶端端口號蝠猬、服務(wù)器IP地址和服務(wù)器端口號的四元組）可唯一確定互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中每個TCP連接的雙方。

下面介紹下TCP首部字段：

序列號：用來標(biāo)識從TCP發(fā)端向TCP收端發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)流统捶，它表示在這個報文段中的第一個數(shù)據(jù)字節(jié)榆芦。如果把字節(jié)流看做在兩個應(yīng)用程序間的單向流動，則TCP用序號對每個字節(jié)進(jìn)行計數(shù)喘鸟。序號是32bit的無符號數(shù)匆绣，序號到達(dá)2^32-1后又從0開始。序號用來解決網(wǎng)絡(luò)包亂序問題什黑。接收端根據(jù)這個編號進(jìn)行確認(rèn)崎淳。

確認(rèn)號：是接收確認(rèn)端期望收到的下一個序列號。確認(rèn)號應(yīng)當(dāng)是上次已成功收到的數(shù)據(jù)字節(jié)序號加1愕把，只有當(dāng)標(biāo)志位中的ACK標(biāo)志為1時該確認(rèn)號的字段才有效拣凹。主要用來解決丟包問題茵瘾。

若確認(rèn)號=N，則表明：到序號N-1為止的所有數(shù)據(jù)都已正確收到咐鹤。

首部長度：

TCP 首部總長度由該字段決定拗秘。該字段占 4bit，取最大值1111時祈惶，也就是十進(jìn)制的 15雕旨，TCP 首部的偏移單位是 4 byte, 那么TCP 首部最長是 15 * 4 = 60 字節(jié)。?TCP 首部總長度有20個固定字節(jié)捧请，所以該字段最短是 20byte / 4byte =?5凡涩，即 0101。首部長度也叫做數(shù)據(jù)偏移疹蛉，因為首部長度實(shí)際上指示了數(shù)據(jù)區(qū)在報文段的起始偏移值活箕。

保留位：

為將來定義新的用途保留，現(xiàn)在一般置 0可款。

控制位：TCP首部中有6個標(biāo)志比特育韩，它們中的多個可同時被設(shè)置為1，主要是用于操控TCP的狀態(tài)機(jī)的闺鲸，依次為URG 筋讨、 ACK、? PSH摸恍、 RST悉罕、 SYN、 FIN立镶。

$\bullet$ ?URG：緊急指針有效壁袄，是發(fā)送端向接收端發(fā)送緊急數(shù)據(jù)的一種方式。

$\bullet$ ?ACK：該位為1時表示【確認(rèn)應(yīng)答號】有效媚媒，TCP規(guī)定除了最初建立連接時的 SYN 號之外嗜逻，該位必須設(shè)置為1。

$\bullet$ ?PSH：接收方應(yīng)該盡快將這個報文段交給應(yīng)用層欣范。

$\bullet$ ?SYN：該位為1時表示希望建立連接变泄，同步序號用來發(fā)起一個連接令哟。

$\bullet$ ?RST：該位為1時表示TCP連接出現(xiàn)異常恼琼，必須強(qiáng)制斷開連接。

$\bullet$ ?FIN：該位為1時表示希望斷開連接屏富。

窗口大小：

TCP的流量控制由連接的每一端通過聲明的窗口大小來提供晴竞。

校驗和：

是一個強(qiáng)制性的字段，一定是由發(fā)送端計算和存儲狠半，并由接收端進(jìn)行驗證噩死。

緊急指針：

當(dāng)URG標(biāo)志置1時緊急指針才有效颤难。緊急指針是一個正的偏移量，和序號字段中的值相加表示緊急數(shù)據(jù)最后一個字節(jié)的序號已维。

選項字段：

選項字段的長度 = TCP 首部總長度 - 20 字節(jié)固定長度行嗤。由于 TCP?首部總長度最大為 60字節(jié)，那么選項字段的長度最大為 40 字節(jié)垛耳；

一個選項字段占 4個字節(jié)

最常見的可選字段是最長報文大小栅屏，又稱為MSS(Maximum Segment Size)。每個連接方通常都在通信的第一個報文段（為建立連接而設(shè)置SYN標(biāo)志的那個段）中指明這個選項堂鲜。它表明本端所能接收的最大長度的報文段栈雳。

數(shù)據(jù)：

數(shù)據(jù)部分是可選的，在連接建立和終止時缔莲，雙方交換的報文段僅有TCP首部哥纫，如果一方?jīng)]有數(shù)據(jù)要發(fā)送，也使用沒有任何數(shù)據(jù)的首部來確認(rèn)收到的數(shù)據(jù)痴奏。

3蛀骇、TCP連接的建立

TCP連接的建立與關(guān)閉

第一次握手：客戶端發(fā)送請求報文將 SYN = J 的初始序列號發(fā)送給服務(wù)端，發(fā)送完之后客戶端處于SYN_SENT狀態(tài)读拆。

第二次握手：服務(wù)端收到SYN請求報文后松靡，如果同意連接，會以自己的SYN(服務(wù)端) = K? 的初始序列號和 ack = SYN(客戶端) + 1 報文作為應(yīng)答建椰，服務(wù)端處于SYN_RECEIVE狀態(tài)雕欺。

第三次握手：客戶端接收到服務(wù)端的SYN+ack，發(fā)送 ack = SYN(服務(wù)端) + 1確認(rèn)包作為應(yīng)答棉姐，客戶端轉(zhuǎn)為ESTABLISHED狀態(tài)屠列。

為什么是三次握手？不是兩次伞矩、四次笛洛？

這個問題需要回到TCP的概念上：

TCP連接是為了得到保證連接可靠性和流量控制所需維護(hù)的某些狀態(tài)信息，這些信息的組合包括 Socket乃坤、序列號苛让、窗口大小。所以問題就是湿诊，為什么三次握手才可以初始化Socket狱杰、序列號、窗口大小并建立TCP連接厅须。原因有三：

客戶端連續(xù)發(fā)送多次SYN建立連接的報文仿畸，在網(wǎng)絡(luò)擁堵等情況下出現(xiàn)：

$\bullet$ ?一個【舊的SYN報文】比【最新的SYN】報文更早到了服務(wù)端，那么此時，服務(wù)端就會回一個SYN + ACK 報文給客戶端错沽；

$\bullet$ ?客戶端收到后根據(jù)自身的上下文簿晓，判斷這是一個歷史連接（序列號過期或超時），那么客戶端就會發(fā)送 RST 報文給服務(wù)端千埃，表示終止這一次的連接憔儿；

如果是兩次握手連接，就不能判斷此次連接是否是歷史連接放可，三次握手可以讓客戶端準(zhǔn)備發(fā)送第三次報文時皿曲，客戶端有足夠的上下文來判斷當(dāng)前的連接是否是歷史連接。

（2）三次握手才可以同步雙方的初始序列號吴侦；

TCP的通信雙方都必須維護(hù)一個【序列號】屋休，序列號是可靠傳輸?shù)囊粋€關(guān)鍵因素，它的作用：

$\bullet$ ?接收方可以丟棄重復(fù)的數(shù)據(jù)备韧；

$\bullet$ ?接收方可以根據(jù)數(shù)據(jù)包的序列號按序接收劫樟；

$\bullet$ ?發(fā)送方可以標(biāo)識哪些數(shù)據(jù)包是已被對方接收到的；

因此在三次握手中织堂，當(dāng)客戶端方法攜帶【初始序列號】的 SYN 報文的時候叠艳，需要服務(wù)端回一個 ACK 應(yīng)答報文，表示客戶端的 SYN報文已被服務(wù)端成功接收易阳，那當(dāng)服務(wù)端發(fā)送【初始序列號】給客戶端的時候附较，也需要得到客戶端的應(yīng)答回應(yīng)，這樣才能保證雙方的初始序列號能被可靠的同步潦俺。

四次握手是把服務(wù)端回應(yīng)客戶端的 ACK 請求和服務(wù)端發(fā)送給服務(wù)端的初始序列號（第二步拒课、第三步）合并成了一步，因此就成了【三次握手】事示。

（3）三次握手才可以避免資源的浪費(fèi)早像；

如果只有【兩次握手】，當(dāng)客戶端的 SYN 請求連接在網(wǎng)絡(luò)中阻塞肖爵，客戶端超時沒有收到 ACK 應(yīng)答報文就會重新發(fā)送 SYN卢鹦，由于沒有三次握手，服務(wù)端直接就分配資源并建立連接會導(dǎo)致：

建立了多個冗余的無效連接劝堪，造成不必要的浪費(fèi)冀自。

兩次握手會導(dǎo)致資源浪費(fèi)

4、TCP連接的斷開

四次揮手

第一次揮手：首先進(jìn)行關(guān)閉的一方（即發(fā)送第一個 FIN）將執(zhí)行主動關(guān)閉秒啦，而另一方（收到這個 FIN）執(zhí)行被動關(guān)閉熬粗。客戶端發(fā)送完 FIN 報文后帝蒿，就進(jìn)入了 FIN_WAIT_1 狀態(tài)荐糜；

第二次揮手：服務(wù)器收到這個 FIN ，它發(fā)回一個確認(rèn)應(yīng)答 ACK葛超，ack = M + 1 (即暴氏，收到的序號+1)? 表示收到了，接著服務(wù)端進(jìn)入CLOSE_WAIT 狀態(tài)绣张〈鹩妫客戶端收到服務(wù)端的 ACK 應(yīng)答報文后，進(jìn)入 FIN_WAIT_2 狀態(tài)侥涵。

第三次揮手：等待服務(wù)端處理完數(shù)據(jù)后沼撕，也向客戶端發(fā)送 FIN 報文，之后服務(wù)端進(jìn)入 LAST_ACK 狀態(tài)芜飘。

第四次揮手：服務(wù)端收到了 ACK 應(yīng)答報文后务豺，就進(jìn)入了 CLOSE 狀態(tài)，至此服務(wù)端完成了連接的關(guān)閉嗦明。

為什么揮手需要四次笼沥？

$\bullet$ ?關(guān)閉連接時，客戶端向服務(wù)端發(fā)送 FIN 時娶牌，僅僅表示客戶端不再發(fā)送數(shù)據(jù)了奔浅，但還是能接收數(shù)據(jù)。

$\bullet$ ?服務(wù)端收到客戶端的 FIN 報文時诗良，先回一個 ACK 應(yīng)答報文汹桦，而服務(wù)端可能還有數(shù)據(jù)需要處理和發(fā)送，等服務(wù)端不再發(fā)送數(shù)據(jù)時鉴裹，才發(fā)送 FIN 報文給客戶端表示同意關(guān)閉連接舞骆。

服務(wù)端的 ACK 和 FIN 一般都會分開發(fā)送，從而比三次握手多了一次径荔。

5葛作、Socket編程

應(yīng)用在使用 TCP 或 UDP 時，會用到操作系統(tǒng)提供的類庫猖凛。這種類庫一般被稱為API（Application Programming Interface 應(yīng)用編程接口）赂蠢，使用 TCP 或 UDP 通信時，又會廣泛使用到套接字（Socket）的API辨泳。

Socket

那么TCP如何利用Socket編程

基于TCP的Socket通信

$\bullet$ ?服務(wù)端和客戶端初始化 socket虱岂，得到文件描述符；

$\bullet$ ?服務(wù)端調(diào)用 bind 菠红，將綁定 IP 地址和端口號第岖；

$\bullet$ ?服務(wù)端調(diào)用 listen ，進(jìn)行監(jiān)聽试溯；

$\bullet$ ?服務(wù)端調(diào)用 accept蔑滓，等待客戶端連接；

$\bullet$ ?客戶端調(diào)用 connect，向服務(wù)端的地址和端口發(fā)起連接請求键袱；

$\bullet$ ?服務(wù)端 accept 返回用于傳輸?shù)?socket 的文件描述符燎窘；

$\bullet$ ?客戶端調(diào)用 write 寫入數(shù)據(jù)；服務(wù)端調(diào)用 read 讀取數(shù)據(jù)蹄咖；

$\bullet$ ?客戶端斷開連接時褐健，會調(diào)用 close ，服務(wù)端 read 讀取數(shù)據(jù)的時候澜汤，就會讀取到 EOF蚜迅，待處理完數(shù)據(jù)后，服務(wù)端調(diào)用 close 表示連接關(guān)閉俊抵。

注意：服務(wù)端調(diào)用 accept 時谁不，連接成功了會返回一個已完成連接的socket，后續(xù)用來傳輸數(shù)據(jù)徽诲。所以刹帕，監(jiān)聽的 socket 和用來傳輸數(shù)據(jù)的 socket，是兩個 socket馏段，一個是監(jiān)聽 socket轩拨，一個是已完成連接 socket。

重點(diǎn)講下三次握手連接請求的實(shí)現(xiàn)：

通過隊列實(shí)現(xiàn)

處于 listen 狀態(tài)的 TCP socket院喜，有兩個獨(dú)立的隊列：

$\bullet$ ?SYN 隊列（SYN Queue）

存儲了收到了 SYN 包的連接亡蓉，它的職責(zé)是回復(fù) SYN + ACK 包，并且在客戶端沒有收到 ACK包時執(zhí)行重傳喷舀。發(fā)送完 SYN + ACK 之后砍濒， SYN 隊列等待從客戶端發(fā)出的 Ack 包（三次握手的最后一個包）。當(dāng)收到 ACK 包時硫麻，首先找到對應(yīng)的 SYN 隊列爸邢，再在對應(yīng)的 SYN隊列中檢查相關(guān)的數(shù)據(jù)是否匹配，如果匹配拿愧，則將連接相關(guān)的數(shù)據(jù)從 SYN 隊列中移除杠河，創(chuàng)建一個完整的連接（用于傳輸數(shù)據(jù)的），并將這個連接加入到 Accept 隊列浇辜。

$\bullet$ ?Accept 隊列（Accept Queue）

存放的是已建立好的連接券敌，等待被應(yīng)用程序取走。當(dāng)進(jìn)程調(diào)用 accept() 時柳洋，將 socket 從隊列中取出待诅，傳遞給上層應(yīng)用程序。

參考文檔：
1熊镣、TCP/IP 詳解

2卑雁、圖解tcpip

3募书、https://mp.weixin.qq.com/s/tH8RFmjrveOmgLvk9hmrkw

4、https://mp.weixin.qq.com/s/5VXhL0dTFcWNyfQ7-7NBEg

5测蹲、https://mp.weixin.qq.com/s?src=11&timestamp=1592656050&ver=2412&signature=8YnNG5TR2QrxJK4CPHAknP8I4ujYG2voPwedWyH1EJXVSQUKDS5IaHvbMd3S7kpL7GrCaZkQbvgbh5OoX9IZ777abi2e3Ze-Cu1DCoLk9cexKOng3oXRfgt60fOU2gNF&new=1

6莹捡、https://blog.csdn.net/mary19920410/article/details/58030147

7、https://blog.csdn.net/Mary19920410/article/details/72857764