TCP 協(xié)議簡介
一顷蟆、TCP 協(xié)議的作用
TCP/IP協(xié)議族按照層次由上到下修壕，層層包裝
IP 協(xié)議只是一個地址協(xié)議，并不保證數(shù)據(jù)包的完整损同。如果路由器丟包（比如緩存滿了翩腐，新進(jìn)來的數(shù)據(jù)包就會丟失），就需要發(fā)現(xiàn)丟了哪一個包膏燃，以及如何重新發(fā)送這個包茂卦。這就要依靠 TCP 協(xié)議
簡單說，TCP 協(xié)議的作用是组哩，保證數(shù)據(jù)通信的完整性和可靠性等龙，防止丟包。
二伶贰、TCP 數(shù)據(jù)包的大小
以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包（packet）的大小是固定的负芋，最初是1518字節(jié)，后來增加到1522字節(jié)媒役。其中咸作， 1500 字節(jié)是負(fù)載（payload），22字節(jié)是頭信息（head）们豌。
IP 數(shù)據(jù)包在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的負(fù)載里面涯捻，它也有自己的頭信息，最少需要20字節(jié)望迎，所以 IP 數(shù)據(jù)包的負(fù)載最多為1480字節(jié)障癌。
TCP 數(shù)據(jù)包在 IP 數(shù)據(jù)包的負(fù)載里面涛浙。它的頭信息最少也需要20字節(jié)，因此 TCP 數(shù)據(jù)包的最大負(fù)載是 1480 - 20 = 1460 字節(jié)。由于 IP 和 TCP 協(xié)議往往有額外的頭信息轿亮，所以 TCP 負(fù)載實(shí)際為1400字節(jié)左右疮薇。
因此，一條1500字節(jié)的信息需要兩個 TCP 數(shù)據(jù)包我注。HTTP/2 協(xié)議的一大改進(jìn)按咒， 就是壓縮 HTTP 協(xié)議的頭信息，使得一個 HTTP 請求可以放在一個 TCP 數(shù)據(jù)包里面但骨，而不是分成多個励七，這樣就提高了速度。
三奔缠、TCP 數(shù)據(jù)包的編號（SEQ）
一個包1400字節(jié)掠抬，那么一次性發(fā)送大量數(shù)據(jù)，就必須分成多個包校哎。比如两波，一個 10MB 的文件，需要發(fā)送7100多個包贬蛙。
發(fā)送的時候雨女，TCP 協(xié)議為每個包編號（sequence number，簡稱 SEQ）阳准，以便接收的一方按照順序還原氛堕。萬一發(fā)生丟包，也可以知道丟失的是哪一個包野蝇。
第一個包的編號是一個隨機(jī)數(shù)讼稚。為了便于理解，這里就把它稱為1號包绕沈。假定這個包的負(fù)載長度是100字節(jié)锐想，那么可以推算出下一個包的編號應(yīng)該是101。這就是說乍狐，每個數(shù)據(jù)包都可以得到兩個編號：自身的編號赠摇，以及下一個包的編號。接收方由此知道浅蚪，應(yīng)該按照什么順序?qū)⑺鼈冞€原成原始文件藕帜。
四盗誊、TCP 數(shù)據(jù)包的組裝
收到 TCP 數(shù)據(jù)包以后时甚，組裝還原是操作系統(tǒng)完成的隘弊。應(yīng)用程序不會直接處理 TCP 數(shù)據(jù)包。
對于應(yīng)用程序來說荒适，不用關(guān)心數(shù)據(jù)通信的細(xì)節(jié)梨熙。除非線路異常，收到的總是完整的數(shù)據(jù)刀诬。應(yīng)用程序需要的數(shù)據(jù)放在 TCP 數(shù)據(jù)包里面串结，有自己的格式（比如 HTTP 協(xié)議）。
TCP 并沒有提供任何機(jī)制舅列，表示原始文件的大小，這由應(yīng)用層的協(xié)議來規(guī)定卧蜓。比如帐要，HTTP 協(xié)議就有一個頭信息Content-Length，表示信息體的大小弥奸。對于操作系統(tǒng)來說榨惠，就是持續(xù)地接收 TCP 數(shù)據(jù)包，將它們按照順序組裝好盛霎，一個包都不少赠橙。
操作系統(tǒng)不會去處理 TCP 數(shù)據(jù)包里面的數(shù)據(jù)。一旦組裝好 TCP 數(shù)據(jù)包愤炸，就把它們轉(zhuǎn)交給應(yīng)用程序期揪。TCP 數(shù)據(jù)包里面有一個端口（port）參數(shù)，就是用來指定轉(zhuǎn)交給監(jiān)聽該端口的應(yīng)用程序规个。
應(yīng)用程序收到組裝好的原始數(shù)據(jù)活玲，以瀏覽器為例，就會根據(jù) HTTP 協(xié)議的Content-Length字段正確讀出一段段的數(shù)據(jù)谍婉。這也意味著舒憾，一次 TCP 通信可以包括多個 HTTP 通信。
五屡萤、TCP 數(shù)據(jù)包
1.端口號(port)
前4個字節(jié)來標(biāo)識了發(fā)送方的端口號和接收方的端口號珍剑，即該數(shù)據(jù)包由誰發(fā)送，由誰接收死陆。前2個字節(jié)標(biāo)識源端口號招拙，緊接著2個字節(jié)標(biāo)識目的端口號唧瘾。
即發(fā)送方：(11111111,1111111)2= (65535)10，除去0~1023.
即接收方：(11111111,1111111)2= (65535)10别凤，除去0~1023.
2.序號(seq)
TCP是面向字節(jié)流的饰序。在一個TCP連接中傳送的字節(jié)流中的每一個字節(jié)都按順序編號。整個要傳送的字節(jié)流的起始序號必須在連接建立時設(shè)置规哪。首部中的序號字段值則是指的是本報(bào)文段所發(fā)送的數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)的序號求豫。長度為4字節(jié)诉稍，序號是32bit的無符號數(shù),序號到達(dá)232- 1后又從0開始。
3.確認(rèn)號(ack)
確認(rèn)號杯巨，占4個字節(jié)，是期望收到對方下一個報(bào)文的第一個數(shù)據(jù)字節(jié)的序號服爷。例如，B收到了A發(fā)送過來的報(bào)文仍源，其序列號字段是501，而數(shù)據(jù)長度是200字節(jié)笼踩，這表明B正確的收到了A發(fā)送的到序號700為止的數(shù)據(jù)。因此嚎于，B期望收到A的下一個數(shù)據(jù)序號是701，于是B在發(fā)送給A的確認(rèn)報(bào)文段中把確認(rèn)號置為701匾旭；
4.數(shù)據(jù)偏移
占4位镣屹，它指出TCP報(bào)文的數(shù)據(jù)距離TCP報(bào)文段的起始處有多遠(yuǎn)
5.保留
占6位，保留今后使用价涝，但目前應(yīng)都位0
6.URG
當(dāng)URG=1女蜈，表明緊急指針字段有效。告訴系統(tǒng)此報(bào)文段中有緊急數(shù)據(jù)
7.ACK
僅當(dāng)ACK=1時色瘩，確認(rèn)號(ack)字段才有效伪窖。TCP規(guī)定，在連接建立后所有報(bào)文的傳輸都必須把ACK置1
8.PSH
當(dāng)兩個應(yīng)用進(jìn)程進(jìn)行交互式通信時居兆，有時在一端的應(yīng)用進(jìn)程希望在鍵入一個命令后立即就能收到對方的響應(yīng)覆山，這時候就將PSH=1
9.RST
當(dāng)RST=1，表明TCP連接中出現(xiàn)嚴(yán)重差錯泥栖，必須釋放連接簇宽，然后再重新建立連接
10.SYN
在連接建立時用來同步序號勋篓。當(dāng)SYN=1，ACK=0魏割，表明是連接請求報(bào)文譬嚣，若同意連接，則響應(yīng)報(bào)文中應(yīng)該使SYN=1钞它，ACK=1
11.FIN
用來釋放連接拜银。當(dāng)FIN=1，表明此報(bào)文的發(fā)送方的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢遭垛，并且要求釋放
12.窗口
占2字節(jié)尼桶，指的是通知接收方，發(fā)送本報(bào)文你需要有多大的空間來接受
13.檢驗(yàn)和
占2字節(jié)锯仪，校驗(yàn)首部和數(shù)據(jù)這兩部分
14.緊急指針
占2字節(jié)疯汁，指出本報(bào)文段中的緊急數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)
15.選項(xiàng)
長度可變，定義一些其他的可選的參數(shù)
六卵酪、三次握手
最開始的時候客戶端和服務(wù)器都是處于CLOSED狀態(tài)。主動打開連接的為客戶端谤碳，被動打開連接的是服務(wù)器溃卡。
1.TCP服務(wù)器進(jìn)程先創(chuàng)建傳輸控制塊TCB，時刻準(zhǔn)備接受客戶進(jìn)程的連接請求蜒简，此時服務(wù)器就進(jìn)入了LISTEN（監(jiān)聽）狀態(tài)瘸羡；
2.TCP客戶進(jìn)程也是先創(chuàng)建傳輸控制塊TCB，然后向服務(wù)器發(fā)出連接請求報(bào)文搓茬，這是報(bào)文首部中的同部位SYN=1犹赖，同時選擇一個初始序列號 seq=x ，此時卷仑，TCP客戶端進(jìn)程進(jìn)入了 SYN-SENT（同步已發(fā)送狀態(tài)）狀態(tài)峻村。TCP規(guī)定粘昨，SYN報(bào)文段（SYN=1的報(bào)文段）不能攜帶數(shù)據(jù)窜锯，但需要消耗掉一個序號锚扎。
3.TCP服務(wù)器收到請求報(bào)文后，如果同意連接芍秆，則發(fā)出確認(rèn)報(bào)文。確認(rèn)報(bào)文中應(yīng)該 ACK=1螟碎，SYN=1掉分，確認(rèn)號是ack=x+1酥郭，同時也要為自己初始化一個序列號 seq=y愿吹，此時犁跪，TCP服務(wù)器進(jìn)程進(jìn)入了SYN-RCVD（同步收到）狀態(tài)。這個報(bào)文也不能攜帶數(shù)據(jù)寝优，但是同樣要消耗一個序號乏矾。
4.TCP客戶進(jìn)程收到確認(rèn)后钻心，還要向服務(wù)器給出確認(rèn)铅协。確認(rèn)報(bào)文的ACK=1狐史，ack=y+1，自己的序列號seq=x+1侈玄，此時序仙，TCP連接建立潘悼，客戶端進(jìn)入ESTABLISHED（已建立連接）狀態(tài)。TCP規(guī)定棒动，ACK報(bào)文段可以攜帶數(shù)據(jù)宾添，但是如果不攜帶數(shù)據(jù)則不消耗序號缕陕。
5.當(dāng)服務(wù)器收到客戶端的確認(rèn)后也進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，此后雙方就可以開始通信了
為什么TCP客戶端最后還要發(fā)送一次確認(rèn)呢怜浅？
一句話恶座，主要防止已經(jīng)失效的連接請求報(bào)文突然又傳送到了服務(wù)器跨琳，從而產(chǎn)生錯誤沪袭。
如果使用的是兩次握手建立連接冈绊，假設(shè)有這樣一種場景埠啃，客戶端發(fā)送了第一個請求連接并且沒有丟失，只是因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)中滯留的時間太長了毅该，由于TCP的客戶端遲遲沒有收到確認(rèn)報(bào)文眶掌，以為服務(wù)器沒有收到朴爬，此時重新向服務(wù)器發(fā)送這條報(bào)文橡淆，此后客戶端和服務(wù)器經(jīng)過兩次握手完成連接母赵，傳輸數(shù)據(jù)凹嘲，然后關(guān)閉連接周蹭。此時此前滯留的那一次請求連接贞绳，網(wǎng)絡(luò)通暢了到達(dá)了服務(wù)器冈闭，這個報(bào)文本該是失效的萎攒，但是，兩次握手的機(jī)制將會讓客戶端和服務(wù)器再次建立連接刃永，這將導(dǎo)致不必要的錯誤和資源的浪費(fèi)斯够。
如果采用的是三次握手喧锦，就算是那一次失效的報(bào)文傳送過來了，服務(wù)端接受到了那條失效報(bào)文并且回復(fù)了確認(rèn)報(bào)文束亏，但是客戶端不會再次發(fā)出確認(rèn)碍遍。由于服務(wù)器收不到確認(rèn)怕敬，就知道客戶端并沒有請求連接帘皿。
七.四次揮手
數(shù)據(jù)傳輸完畢后，雙方都可釋放連接罩锐。最開始的時候卤唉，客戶端和服務(wù)器都是處于ESTABLISHED狀態(tài)桑驱，然后客戶端主動關(guān)閉，服務(wù)器被動關(guān)閉痊硕。
1.客戶端進(jìn)程發(fā)出連接釋放報(bào)文押框，并且停止發(fā)送數(shù)據(jù)。釋放數(shù)據(jù)報(bào)文首部盒揉，F(xiàn)IN=1刚盈，其序列號為seq=u（等于前面已經(jīng)傳送過來的數(shù)據(jù)的最后一個字節(jié)的序號加1）藕漱，此時肋联，客戶端進(jìn)入FIN-WAIT-1（終止等待1）狀態(tài)。?TCP規(guī)定牺蹄，F(xiàn)IN報(bào)文段即使不攜帶數(shù)據(jù)，也要消耗一個序號翘魄。
2舀奶，服務(wù)器收到連接釋放報(bào)文，發(fā)出確認(rèn)報(bào)文罗岖，ACK=1桑包，ack=u+1纺非，并且?guī)献约旱男蛄刑杝eq=v烧颖，此時炕淮，服務(wù)端就進(jìn)入了CLOSE-WAIT（關(guān)閉等待）狀態(tài)鳖悠。TCP服務(wù)器通知高層的應(yīng)用進(jìn)程，客戶端向服務(wù)器的方向就釋放了憎账，這時候處于半關(guān)閉狀態(tài)胞皱，即客戶端已經(jīng)沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送了反砌，但是服務(wù)器若發(fā)送數(shù)據(jù)萌朱，客戶端依然要接受晶疼。這個狀態(tài)還要持續(xù)一段時間翠霍，也就是整個CLOSE-WAIT狀態(tài)持續(xù)的時間寒匙。
3.客戶端收到服務(wù)器的確認(rèn)請求后，此時祸憋，客戶端就進(jìn)入FIN-WAIT-2（終止等待2）狀態(tài)夺衍，等待服務(wù)器發(fā)送連接釋放報(bào)文（在這之前還需要接受服務(wù)器發(fā)送的最后的數(shù)據(jù)）沟沙。
4.服務(wù)器將最后的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后矛紫，就向客戶端發(fā)送連接釋放報(bào)文颊咬，F(xiàn)IN=1牡辽，ack=u+1态辛，由于在半關(guān)閉狀態(tài)炊邦，服務(wù)器很可能又發(fā)送了一些數(shù)據(jù)熟史，假定此時的序列號為seq=w蹂匹，此時限寞，服務(wù)器就進(jìn)入了LAST-ACK（最后確認(rèn)）狀態(tài)忍啸，等待客戶端的確認(rèn)。
5.客戶端收到服務(wù)器的連接釋放報(bào)文后昆烁，必須發(fā)出確認(rèn)吊骤，ACK=1缎岗，ack=w+1静尼，而自己的序列號是seq=u+1，此時，客戶端就進(jìn)入了TIME-WAIT（時間等待）狀態(tài)鼠渺。注意此時TCP連接還沒有釋放鸭巴，必須經(jīng)過2?*?MSL（最長報(bào)文段壽命）的時間后，當(dāng)客戶端撤銷相應(yīng)的TCB后拦盹，才進(jìn)入CLOSED狀態(tài)鹃祖。
6.服務(wù)器只要收到了客戶端發(fā)出的確認(rèn)恬口，立即進(jìn)入CLOSED狀態(tài)。同樣，撤銷TCB后，就結(jié)束了這次的TCP連接鳞滨√岵恚可以看到，服務(wù)器結(jié)束TCP連接的時間要比客戶端早一些。
為什么客戶端最后還要等待2MSL后雷？
MSL（Maximum Segment Lifetime）贾漏，TCP允許不同的實(shí)現(xiàn)可以設(shè)置不同的MSL值隐圾。
第一叨咖，保證客戶端發(fā)送的最后一個ACK報(bào)文能夠到達(dá)服務(wù)器，因?yàn)檫@個ACK報(bào)文可能丟失，站在服務(wù)器的角度看來，我已經(jīng)發(fā)送了FIN+ACK報(bào)文請求斷開了，客戶端還沒有給我回應(yīng)剂跟，應(yīng)該是我發(fā)送的請求斷開報(bào)文它沒有收到辽剧，于是服務(wù)器又會重新發(fā)送一次辟拷，而客戶端就能在這個2MSL時間段內(nèi)收到這個重傳的報(bào)文，接著給出回應(yīng)報(bào)文，并且會重啟2MSL計(jì)時器唧喉。
第二干跛，防止類似與“三次握手”中提到了的“已經(jīng)失效的連接請求報(bào)文段”出現(xiàn)在本連接中。客戶端發(fā)送完最后一個確認(rèn)報(bào)文后，在這個2MSL時間中厚满，就可以使本連接持續(xù)的時間內(nèi)所產(chǎn)生的所有報(bào)文段都從網(wǎng)絡(luò)中消失丰榴。這樣新的連接中不會出現(xiàn)舊連接的請求報(bào)文。
為什么建立連接是三次握手，關(guān)閉連接確是四次揮手呢闷游？
建立連接的時候业簿， 服務(wù)器在LISTEN狀態(tài)下缰揪，收到建立連接請求的SYN報(bào)文后，把ACK和SYN放在一個報(bào)文里發(fā)送給客戶端星爪。
而關(guān)閉連接時窖杀，服務(wù)器收到對方的FIN報(bào)文時啃炸，僅僅表示對方不再發(fā)送數(shù)據(jù)了但是還能接收數(shù)據(jù)南用，而自己也未必全部數(shù)據(jù)都發(fā)送給對方了筑公，所以己方可以立即關(guān)閉十酣，也可以發(fā)送一些數(shù)據(jù)給對方后搓彻，再發(fā)送FIN報(bào)文給對方來表示同意現(xiàn)在關(guān)閉連接扼脐，因此，己方ACK和FIN一般都會分開發(fā)送任柜，從而導(dǎo)致多了一次。
#如果已經(jīng)建立了連接宙地，但是客戶端突然出現(xiàn)故障了怎么辦摔认？
TCP還設(shè)有一個保活計(jì)時器宅粥，顯然参袱，客戶端如果出現(xiàn)故障，服務(wù)器不能一直等下去，白白浪費(fèi)資源抹蚀。服務(wù)器每收到一次客戶端的請求后都會重新復(fù)位這個計(jì)時器剿牺，時間通常是設(shè)置為2小時，若兩小時還沒有收到客戶端的任何數(shù)據(jù)环壤，服務(wù)器就會發(fā)送一個探測報(bào)文段晒来，以后每隔75秒發(fā)送一次。若一連發(fā)送10個探測報(bào)文仍然沒反應(yīng)郑现，服務(wù)器就認(rèn)為客戶端出了故障湃崩，接著就關(guān)閉連接。
