上一節(jié)意狠，我們講的 UDP粟关，基本上包括了傳輸層所必須的端口字段。它就像我們小時(shí)候一樣簡(jiǎn)單环戈，相信“網(wǎng)之初闷板，性本善，不丟包院塞，不亂序”遮晚。

后來(lái)呢，我們都慢慢長(zhǎng)大拦止，了解了社會(huì)的殘酷县遣，變得復(fù)雜而成熟，就像 TCP 協(xié)議一樣。它之所以這么復(fù)雜萧求，那是因?yàn)樗械氖恰靶詯赫摗崩稹Ｋ烊徽J(rèn)為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是惡劣的，丟包饭聚、亂序忌警、重傳，擁塞都是常有的事情秒梳，一言不合就可能送達(dá)不了法绵，因而要從算法層面來(lái)保證可靠性。

TCP 包頭格式

我們先來(lái)看 TCP 頭的格式酪碘。從這個(gè)圖上可以看出朋譬，它比 UDP 復(fù)雜得多。

首先兴垦，源端口號(hào)和目標(biāo)端口號(hào)是不可少的徙赢，這一點(diǎn)和 UDP 是一樣的。如果沒(méi)有這兩個(gè)端口號(hào)探越。數(shù)據(jù)就不知道應(yīng)該發(fā)給哪個(gè)應(yīng)用狡赐。

接下來(lái)是包的序號(hào)。為什么要給包編號(hào)呢钦幔？當(dāng)然是為了解決亂序的問(wèn)題枕屉。不編好號(hào)怎么確認(rèn)哪個(gè)應(yīng)該先來(lái)，哪個(gè)應(yīng)該后到呢鲤氢。編號(hào)是為了解決亂序問(wèn)題搀擂。既然是社會(huì)老司機(jī)，做事當(dāng)然要穩(wěn)重卷玉，一件件來(lái)哨颂，面臨再?gòu)?fù)雜的情況，也臨危不亂相种。

還應(yīng)該有的就是確認(rèn)序號(hào)威恼。發(fā)出去的包應(yīng)該有確認(rèn)，要不然我怎么知道對(duì)方有沒(méi)有收到呢蚂子？如果沒(méi)有收到就應(yīng)該重新發(fā)送沃测，直到送達(dá)缭黔。這個(gè)可以解決不丟包的問(wèn)題食茎。作為老司機(jī)，做事當(dāng)然要靠譜馏谨，答應(yīng)了就要做到别渔，暫時(shí)做不到也要有個(gè)回復(fù)。

TCP 是靠譜的協(xié)議，但是這不能說(shuō)明它面臨的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境好哎媚。從 IP 層面來(lái)講喇伯，如果網(wǎng)絡(luò)狀況的確那么差，是沒(méi)有任何可靠性保證的拨与，而作為 IP 的上一層 TCP 也無(wú)能為力稻据，唯一能做的就是更加努力，不斷重傳买喧，通過(guò)各種算法保證捻悯。也就是說(shuō)，對(duì)于 TCP 來(lái)講淤毛，IP 層你丟不丟包今缚，我管不著，但是我在我的層面上低淡，會(huì)努力保證可靠性姓言。

這有點(diǎn)像如果你在北京，和客戶約十點(diǎn)見面蔗蹋，那么你應(yīng)該清楚堵車是常態(tài)何荚，你干預(yù)不了，也控制不了猪杭，你唯一能做的就是早走兽泣。打車不行就改乘地鐵，盡力不失約胁孙。

接下來(lái)有一些狀態(tài)位唠倦。例如 SYN 是發(fā)起一個(gè)連接，ACK 是回復(fù)涮较，RST 是重新連接稠鼻，F(xiàn)IN 是結(jié)束連接等。TCP 是面向連接的狂票，因而雙方要維護(hù)連接的狀態(tài)候齿，這些帶狀態(tài)位的包的發(fā)送，會(huì)引起雙方的狀態(tài)變更闺属。

不像小時(shí)候慌盯，隨便一個(gè)不認(rèn)識(shí)的小朋友都能玩在一起，人大了掂器，就變得禮貌亚皂，優(yōu)雅而警覺(jué)，人與人遇到會(huì)互相熱情的寒暄国瓮，離開會(huì)不舍地道別灭必，但是人與人之間的信任會(huì)經(jīng)過(guò)多次交互才能建立狞谱。

還有一個(gè)重要的就是窗口大小。TCP 要做流量控制禁漓，通信雙方各聲明一個(gè)窗口跟衅，標(biāo)識(shí)自己當(dāng)前能夠的處理能力，別發(fā)送的太快播歼，撐死我伶跷，也別發(fā)的太慢，餓死我秘狞。

作為老司機(jī)撩穿，做事情要有分寸，待人要把握尺度谒撼，既能適當(dāng)提出自己的要求食寡，又不強(qiáng)人所難。除了做流量控制以外廓潜，TCP 還會(huì)做擁塞控制抵皱，對(duì)于真正的通路堵車不堵車，它無(wú)能為力辩蛋，唯一能做的就是控制自己呻畸，也即控制發(fā)送的速度。不能改變世界悼院，就改變自己嘛伤为。

作為老司機(jī)，要會(huì)自我控制据途，知進(jìn)退绞愚，知道什么時(shí)候應(yīng)該堅(jiān)持，什么時(shí)候應(yīng)該讓步颖医。

通過(guò)對(duì) TCP 頭的解析位衩，我們知道要掌握 TCP 協(xié)議，重點(diǎn)應(yīng)該關(guān)注以下幾個(gè)問(wèn)題：

順序問(wèn)題 熔萧，穩(wěn)重不亂糖驴；

丟包問(wèn)題，承諾靠譜佛致；

連接維護(hù)贮缕，有始有終；

流量控制俺榆，把握分寸感昼；

擁塞控制，知進(jìn)知退肋演。

TCP 的三次握手

所有的問(wèn)題抑诸，首先都要先建立一個(gè)連接，所以我們先來(lái)看連接維護(hù)問(wèn)題爹殊。

TCP 的連接建立蜕乡，我們常常稱為三次握手。

A：您好梗夸，我是 A层玲。

B：您好 A，我是 B反症。

A：您好 B辛块。

我們也常稱為“請(qǐng)求 -> 應(yīng)答 -> 應(yīng)答之應(yīng)答”的三個(gè)回合。這個(gè)看起來(lái)簡(jiǎn)單铅碍，其實(shí)里面還是有很多的學(xué)問(wèn)润绵，很多的細(xì)節(jié)。

首先胞谈，為什么要三次尘盼，而不是兩次？按說(shuō)兩個(gè)人打招呼烦绳，一來(lái)一回就可以了扒渖印？為了可靠径密，為什么不是四次午阵？

我們還是假設(shè)這個(gè)通路是非常不可靠的，A 要發(fā)起一個(gè)連接享扔，當(dāng)發(fā)了第一個(gè)請(qǐng)求杳無(wú)音信的時(shí)候底桂，會(huì)有很多的可能性，比如第一個(gè)請(qǐng)求包丟了惧眠，再如沒(méi)有丟戚啥，但是繞了彎路，超時(shí)了锉试，還有 B 沒(méi)有響應(yīng)猫十，不想和我連接。

A 不能確認(rèn)結(jié)果呆盖，于是再發(fā)拖云，再發(fā)。終于应又，有一個(gè)請(qǐng)求包到了 B宙项，但是請(qǐng)求包到了 B 的這個(gè)事情，目前 A 還是不知道的株扛，A 還有可能再發(fā)尤筐。

B 收到了請(qǐng)求包汇荐，就知道了 A 的存在，并且知道 A 要和它建立連接盆繁。如果 B 不樂(lè)意建立連接掀淘，則 A 會(huì)重試一陣后放棄，連接建立失敗油昂，沒(méi)有問(wèn)題革娄；如果 B 是樂(lè)意建立連接的，則會(huì)發(fā)送應(yīng)答包給 A冕碟。

當(dāng)然對(duì)于 B 來(lái)說(shuō)拦惋，這個(gè)應(yīng)答包也是一入網(wǎng)絡(luò)深似海，不知道能不能到達(dá) A安寺。這個(gè)時(shí)候 B 自然不能認(rèn)為連接是建立好了厕妖，因?yàn)閼?yīng)答包仍然會(huì)丟，會(huì)繞彎路挑庶，或者 A 已經(jīng)掛了都有可能叹放。

而且這個(gè)時(shí)候 B 還能碰到一個(gè)詭異的現(xiàn)象就是，A 和 B 原來(lái)建立了連接挠羔，做了簡(jiǎn)單通信后井仰，結(jié)束了連接。還記得嗎破加？A 建立連接的時(shí)候俱恶，請(qǐng)求包重復(fù)發(fā)了幾次，有的請(qǐng)求包繞了一大圈又回來(lái)了范舀，B 會(huì)認(rèn)為這也是一個(gè)正常的的請(qǐng)求的話合是，因此建立了連接，可以想象锭环，這個(gè)連接不會(huì)進(jìn)行下去聪全，也沒(méi)有個(gè)終結(jié)的時(shí)候，純屬單相思了辅辩。因而兩次握手肯定不行难礼。

B 發(fā)送的應(yīng)答可能會(huì)發(fā)送多次，但是只要一次到達(dá) A玫锋，A 就認(rèn)為連接已經(jīng)建立了蛾茉，因?yàn)閷?duì)于 A 來(lái)講，他的消息有去有回撩鹿。A 會(huì)給 B 發(fā)送應(yīng)答之應(yīng)答谦炬，而 B 也在等這個(gè)消息，才能確認(rèn)連接的建立，只有等到了這個(gè)消息键思，對(duì)于 B 來(lái)講础爬，才算它的消息有去有回。

當(dāng)然 A 發(fā)給 B 的應(yīng)答之應(yīng)答也會(huì)丟吼鳞，也會(huì)繞路看蚜，甚至 B 掛了。按理來(lái)說(shuō)赖条，還應(yīng)該有個(gè)應(yīng)答之應(yīng)答之應(yīng)答失乾，這樣下去就沒(méi)底了常熙。所以四次握手是可以的纬乍，四十次都可以，關(guān)鍵四百次也不能保證就真的可靠了裸卫。只要雙方的消息都有去有回仿贬，就基本可以了。

好在大部分情況下墓贿，A 和 B 建立了連接之后茧泪，A 會(huì)馬上發(fā)送數(shù)據(jù)的，一旦 A 發(fā)送數(shù)據(jù)聋袋，則很多問(wèn)題都得到了解決队伟。例如 A 發(fā)給 B 的應(yīng)答丟了，當(dāng) A 后續(xù)發(fā)送的數(shù)據(jù)到達(dá)的時(shí)候幽勒，B 可以認(rèn)為這個(gè)連接已經(jīng)建立嗜侮，或者 B 壓根就掛了，A 發(fā)送的數(shù)據(jù)啥容，會(huì)報(bào)錯(cuò)锈颗，說(shuō) B 不可達(dá)，A 就知道 B 出事情了咪惠。

當(dāng)然你可以說(shuō) A 比較壞击吱，就是不發(fā)數(shù)據(jù)，建立連接后空著遥昧。我們?cè)诔绦蛟O(shè)計(jì)的時(shí)候覆醇，可以要求開啟 keepalive 機(jī)制，即使沒(méi)有真實(shí)的數(shù)據(jù)包炭臭，也有探活包叫乌。

另外，你作為服務(wù)端 B 的程序設(shè)計(jì)者徽缚，對(duì)于 A 這種長(zhǎng)時(shí)間不發(fā)包的客戶端憨奸，可以主動(dòng)關(guān)閉，從而空出資源來(lái)給其他客戶端使用凿试。

三次握手除了雙方建立連接外排宰，主要還是為了溝通一件事情似芝，就是 TCP 包的序號(hào)的問(wèn)題。

A 要告訴 B板甘，我這面發(fā)起的包的序號(hào)起始是從哪個(gè)號(hào)開始的党瓮，B 同樣也要告訴 A，B 發(fā)起的包的序號(hào)起始是從哪個(gè)號(hào)開始的。為什么序號(hào)不能都從 1 開始呢帝火？因?yàn)檫@樣往往會(huì)出現(xiàn)沖突炊豪。

例如，A 連上 B 之后枪萄，發(fā)送了 1、2猫妙、3 三個(gè)包瓷翻，但是發(fā)送 3 的時(shí)候，中間丟了割坠，或者繞路了齐帚，于是重新發(fā)送，后來(lái) A 掉線了彼哼，重新連上 B 后对妄，序號(hào)又從 1 開始，然后發(fā)送 2敢朱，但是壓根沒(méi)想發(fā)送 3剪菱，但是上次繞路的那個(gè) 3 又回來(lái)了，發(fā)給了 B蔫饰，B 自然認(rèn)為琅豆，這就是下一個(gè)包，于是發(fā)生了錯(cuò)誤篓吁。

因而茫因，每個(gè)連接都要有不同的序號(hào)。這個(gè)序號(hào)的起始序號(hào)是隨著時(shí)間變化的杖剪，可以看成一個(gè) 32 位的計(jì)數(shù)器冻押，每 4 微秒加一，如果計(jì)算一下盛嘿，如果到重復(fù)洛巢，需要 4 個(gè)多小時(shí)，那個(gè)繞路的包早就死翹翹了次兆，因?yàn)槲覀兌贾?IP 包頭里面有個(gè) TTL稿茉，也即生存時(shí)間。

好了，雙方終于建立了信任漓库，建立了連接恃慧。前面也說(shuō)過(guò)，為了維護(hù)這個(gè)連接渺蒿，雙方都要維護(hù)一個(gè)狀態(tài)機(jī)痢士，在連接建立的過(guò)程中，雙方的狀態(tài)變化時(shí)序圖就像這樣茂装。

一開始怠蹂，客戶端和服務(wù)端都處于 CLOSED 狀態(tài)。先是服務(wù)端主動(dòng)監(jiān)聽某個(gè)端口少态，處于 LISTEN 狀態(tài)城侧。然后客戶端主動(dòng)發(fā)起連接 SYN，之后處于 SYN-SENT 狀態(tài)况增。服務(wù)端收到發(fā)起的連接赞庶，返回 SYN训挡，并且 ACK 客戶端的 SYN澳骤，之后處于 SYN-RCVD 狀態(tài)±奖。客戶端收到服務(wù)端發(fā)送的 SYN 和 ACK 之后为肮，發(fā)送 ACK 的 ACK，之后處于 ESTABLISHED 狀態(tài)肤京，因?yàn)樗话l(fā)一收成功了颊艳。服務(wù)端收到 ACK 的 ACK 之后，處于 ESTABLISHED 狀態(tài)忘分，因?yàn)樗惨话l(fā)一收了棋枕。

TCP 四次揮手

好了，說(shuō)完了連接妒峦，接下來(lái)說(shuō)一說(shuō)“拜拜”重斑，好說(shuō)好散。這常被稱為四次揮手肯骇。

A：B 啊窥浪，我不想玩了。

B：哦笛丙，你不想玩了啊漾脂，我知道了。

這個(gè)時(shí)候胚鸯，還只是 A 不想玩了骨稿，也即 A 不會(huì)再發(fā)送數(shù)據(jù)，但是 B 能不能在 ACK 的時(shí)候，直接關(guān)閉呢坦冠？當(dāng)然不可以了镜豹，很有可能 A 是發(fā)完了最后的數(shù)據(jù)就準(zhǔn)備不玩了，但是 B 還沒(méi)做完自己的事情蓝牲，還是可以發(fā)送數(shù)據(jù)的趟脂，所以稱為半關(guān)閉的狀態(tài)。

這個(gè)時(shí)候 A 可以選擇不再接收數(shù)據(jù)了例衍，也可以選擇最后再接收一段數(shù)據(jù)昔期，等待 B 也主動(dòng)關(guān)閉。

B：A 啊佛玄，好吧硼一，我也不玩了，拜拜梦抢。

A：好的般贼，拜拜。

這樣整個(gè)連接就關(guān)閉了奥吩。但是這個(gè)過(guò)程有沒(méi)有異常情況呢哼蛆？當(dāng)然有，上面是和平分手的場(chǎng)面霞赫。

A 開始說(shuō)“不玩了”腮介，B 說(shuō)“知道了”，這個(gè)回合端衰，是沒(méi)什么問(wèn)題的叠洗，因?yàn)樵诖酥埃p方還處于合作的狀態(tài)旅东，如果 A 說(shuō)“不玩了”灭抑，沒(méi)有收到回復(fù)，則 A 會(huì)重新發(fā)送“不玩了”抵代。但是這個(gè)回合結(jié)束之后腾节，就有可能出現(xiàn)異常情況了，因?yàn)橐呀?jīng)有一方率先撕破臉主守。

一種情況是禀倔，A 說(shuō)完“不玩了”之后，直接跑路参淫，是會(huì)有問(wèn)題的救湖，因?yàn)?B 還沒(méi)有發(fā)起結(jié)束，而如果 A 跑路涎才，B 就算發(fā)起結(jié)束鞋既，也得不到回答力九，B 就不知道該怎么辦了。另一種情況是邑闺，A 說(shuō)完“不玩了”跌前，B 直接跑路，也是有問(wèn)題的陡舅，因?yàn)?A 不知道 B 是還有事情要處理抵乓，還是過(guò)一會(huì)兒會(huì)發(fā)送結(jié)束。

那怎么解決這些問(wèn)題呢靶衍？TCP 協(xié)議專門設(shè)計(jì)了幾個(gè)狀態(tài)來(lái)處理這些問(wèn)題灾炭。我們來(lái)看斷開連接的時(shí)候的狀態(tài)時(shí)序圖。

斷開的時(shí)候颅眶，我們可以看到蜈出，當(dāng) A 說(shuō)“不玩了”，就進(jìn)入 FIN_WAIT_1 的狀態(tài)涛酗，B 收到“A 不玩”的消息后铡原，發(fā)送知道了，就進(jìn)入 CLOSE_WAIT 的狀態(tài)商叹。

A 收到“B 說(shuō)知道了”燕刻，就進(jìn)入 FIN_WAIT_2 的狀態(tài)，如果這個(gè)時(shí)候 B 直接跑路沈自，則 A 將永遠(yuǎn)在這個(gè)狀態(tài)酌儒。TCP 協(xié)議里面并沒(méi)有對(duì)這個(gè)狀態(tài)的處理辜妓，但是 Linux 有枯途，可以調(diào)整 tcp_fin_timeout 這個(gè)參數(shù)，設(shè)置一個(gè)超時(shí)時(shí)間籍滴。

如果 B 沒(méi)有跑路酪夷，發(fā)送了“B 也不玩了”的請(qǐng)求到達(dá) A 時(shí)，A 發(fā)送“知道 B 也不玩了”的 ACK 后孽惰，從 FIN_WAIT_2 狀態(tài)結(jié)束晚岭，按說(shuō) A 可以跑路了，但是最后的這個(gè) ACK 萬(wàn)一 B 收不到呢勋功？則 B 會(huì)重新發(fā)一個(gè)“B 不玩了”坦报，這個(gè)時(shí)候 A 已經(jīng)跑路了的話，B 就再也收不到 ACK 了狂鞋，因而 TCP 協(xié)議要求 A 最后等待一段時(shí)間 TIME_WAIT片择，這個(gè)時(shí)間要足夠長(zhǎng)，長(zhǎng)到如果 B 沒(méi)收到 ACK 的話骚揍，“B 說(shuō)不玩了”會(huì)重發(fā)的字管，A 會(huì)重新發(fā)一個(gè) ACK 并且足夠時(shí)間到達(dá) B啰挪。

A 直接跑路還有一個(gè)問(wèn)題是，A 的端口就直接空出來(lái)了嘲叔，但是 B 不知道亡呵，B 原來(lái)發(fā)過(guò)的很多包很可能還在路上，如果 A 的端口被一個(gè)新的應(yīng)用占用了硫戈，這個(gè)新的應(yīng)用會(huì)收到上個(gè)連接中 B 發(fā)過(guò)來(lái)的包锰什，雖然序列號(hào)是重新生成的，但是這里要上一個(gè)雙保險(xiǎn)丁逝，防止產(chǎn)生混亂歇由，因而也需要等足夠長(zhǎng)的時(shí)間，等到原來(lái) B 發(fā)送的所有的包都死翹翹果港，再空出端口來(lái)沦泌。

等待的時(shí)間設(shè)為 2MSL，MSL 是 Maximum Segment Lifetime辛掠，報(bào)文最大生存時(shí)間谢谦，它是任何報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)上存在的最長(zhǎng)時(shí)間，超過(guò)這個(gè)時(shí)間報(bào)文將被丟棄萝衩。因?yàn)?TCP 報(bào)文基于是 IP 協(xié)議的回挽，而 IP 頭中有一個(gè) TTL 域，是 IP 數(shù)據(jù)報(bào)可以經(jīng)過(guò)的最大路由數(shù)猩谊，每經(jīng)過(guò)一個(gè)處理他的路由器此值就減 1千劈，當(dāng)此值為 0 則數(shù)據(jù)報(bào)將被丟棄，同時(shí)發(fā)送 ICMP 報(bào)文通知源主機(jī)牌捷。協(xié)議規(guī)定 MSL 為 2 分鐘墙牌，實(shí)際應(yīng)用中常用的是 30 秒，1 分鐘和 2 分鐘等暗甥。

還有一個(gè)異常情況就是喜滨，B 超過(guò)了 2MSL 的時(shí)間，依然沒(méi)有收到它發(fā)的 FIN 的 ACK撤防，怎么辦呢虽风？按照 TCP 的原理，B 當(dāng)然還會(huì)重發(fā) FIN寄月，這個(gè)時(shí)候 A 再收到這個(gè)包之后辜膝，A 就表示，我已經(jīng)在這里等了這么長(zhǎng)時(shí)間了漾肮，已經(jīng)仁至義盡了厂抖，之后的我就都不認(rèn)了，于是就直接發(fā)送 RST初橘，B 就知道 A 早就跑了验游。

TCP 狀態(tài)機(jī)

將連接建立和連接斷開的兩個(gè)時(shí)序狀態(tài)圖綜合起來(lái)充岛，就是這個(gè)著名的 TCP 的狀態(tài)機(jī)。學(xué)習(xí)的時(shí)候比較建議將這個(gè)狀態(tài)機(jī)和時(shí)序狀態(tài)機(jī)對(duì)照著看耕蝉，不然容易暈崔梗。

在這個(gè)圖中，加黑加粗的部分垒在，是上面說(shuō)到的主要流程蒜魄，其中阿拉伯?dāng)?shù)字的序號(hào)，是連接過(guò)程中的順序场躯，而大寫中文數(shù)字的序號(hào)谈为，是連接斷開過(guò)程中的順序。加粗的實(shí)線是客戶端 A 的狀態(tài)變遷踢关，加粗的虛線是服務(wù)端 B 的狀態(tài)變遷伞鲫。

小結(jié)

好了，這一節(jié)就到這里了签舞，我來(lái)做一個(gè)總結(jié)：

TCP 包頭很復(fù)雜秕脓，但是主要關(guān)注五個(gè)問(wèn)題，順序問(wèn)題儒搭，丟包問(wèn)題吠架，連接維護(hù)，流量控制搂鲫，擁塞控制傍药；

連接的建立是經(jīng)過(guò)三次握手，斷開的時(shí)候四次揮手魂仍，一定要掌握的我畫的那個(gè)狀態(tài)圖拐辽。

最后，給你留兩個(gè)思考題蓄诽。

TCP 的連接有這么多的狀態(tài)薛训，你知道如何在系統(tǒng)中查看某個(gè)連接的狀態(tài)嗎？

這一節(jié)僅僅講了連接維護(hù)問(wèn)題仑氛，其實(shí)為了維護(hù)連接的狀態(tài)，還有其他的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)處理其他的四個(gè)問(wèn)題闸英，那你知道是什么嗎锯岖？

歡迎你留言和我討論。