TCP详解

一：TCP的定义
TCP协议全称: 传输控制协议, 顾名思义, 就是要对数据的传输进行一定的控制，它是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

二：TCP连接全过程的状态
TCP连接全过程中，客户端及服务端存在的状态如下：

LISTEN：侦听来自远方的TCP端口的连接请求（服务器）
SYN-SENT：在发送连接请求后等待匹配的连接请求（客户端）
SYN-RCVD：在收到和发送一个连接请求后等待对方对连接请求的确认（服务器）
ESTABLISHED：代表一个打开的连接（客户端、服务器）
FIN-WAIT-1：等待远程TCP连接中断请求，或先前的连接中断请求的确认（客户端）
FIN-WAIT-2：从远程TCP等待连接中断请求（客户端）
CLOSE-WAIT：等待从本地用户发来的连接中断请求（服务器）
CLOSING：等待远程TCP对连接中断的确认（客户端、服务器）
LAST-ACK：等待原来的发向远程TCP的连接中断请求的确认（服务器）
TIME-WAIT：等待足够的时间以确保远程TCP接收到连接中断请求的确认（客户端）
CLOSED：没有任何连接状态（客户端、服务器）
三：TCP协议如何保证数据的顺序传输
TCP是一种面向连接的、可靠的基于字节流服务。“面向连接”意味着使用TCP协议的应用在建立联系之前，彼此需要先建立TCP联系；而TCP协议确保传输过程中数据的顺序性则体现其“可靠”的特性，具体如下：

TCP协议将数据切分为多个小片段（数据被划分为合理长度），小片段由头部（header）和数据（payload）组成，为了确保抵达数据的顺序，TCP协议给每个片段的头部（header）都分配了序列号，方便后期按照序列号排序。

1、当某个片段按照顺序发送后，发送方会将已发送的数据片段暂时保存在缓冲区内，并为每个已发送的数据设置一个时间区间。

2、当接收方收到正确的符合顺序的数据片段后，会优先对数据片段做完整检验，如确认无误，再把数据片段交给上层协议，并给发送方一个TCP片段反馈信息用来告知（ACK acknowledge）发送方：我已经接收到这个片段了。这个TCP片段被称为ACK回复。举个例子：发送的第一个片段序列号为T，其对应的ACK回复则为T+1，也就是接收方要接收的下一个发送片段的序列号。

假设在规定的时间区间之内发送方收到接收方的TCP片段反馈信息，则发送方可以释放缓冲区的数据，如若超时未收到应答，发送方则重新发送数据，直到收到应答，或者重发数据次数达到上限为止。

TCP协议的种种机制保证了数据传输的顺序，然而TCP报文段作为IP数据来传输，在IP数据报的到达可能会失序，因此TCP报文段的到达也存在失序的可能。特殊情况下，TCP将对收到的数据进行重新排列，确保顺序正确后再交给应用层。

四：TCP之三次握手
TCP的连接建立和连接关闭，都是通过请求－响应的模式完成的。TCP采用3次握手建立连接的过程如下（整个过程可以采用wireshark进行抓包获取）。

注意， 客户端和服务器起始状态都处于 CLOSE 状态。

TCP服务器进程先创建传输控制块TCB, 时刻准备接受客户端进程的连接请求, 此时服务器就进入了 LISTEN（监听）状态。
TCP客户端进程也是先创建传输控制块TCB, 然后向服务器发出连接请求报文，此时报文首部中的同步标志位SYN=1, 同时选择一个初始序列号 seq = x(x为随机生成), 此时，TCP客户端进程进入了 SYN-SENT（同步已发送状态）状态。TCP规定, SYN报文段（SYN=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号。
TCP服务器收到请求报文后, 如果同意连接, 则发出确认报文。确认报文中的 ACK=1, SYN=1, 确认序号是 x+1（x为第2步客户端发送过来的序列号）, 同时也要为自己初始化一个序列号 seq = y(y为随机生成), 此时, TCP服务器进程进入了SYN-RCVD（同步收到）状态。这个报文也不能携带数据, 但是同样要消耗一个序号。
TCP客户端进程收到服务端回复后需要进行相关确认（该处需要检查第3步服务器发送的标志位ACK的值是否为1，确认序号是否为第2步客户端发送的初始序号x+1），当确认正确后，还要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1，确认序号是 y+1，自己的序列号是 x+1。
此时，TCP连接建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态，此后双方就可以开始通信了。
接下来让我们以图片的形式再展示一下3次握手的整个流程。

上面提到的SYN、ACK等标志位，它们分别代表什么含义呢？

SYN表示建立连接，ACK表示响应，除了这两个标志位外，常用的还有FIN(表示关闭连接)、PSH(表示有数据传输)和RST(表示连接重置)。

PS：ACK、SYN和FIN这些大写的单词表示标志位，其值要么是1，要么是0；ack、seq小写的单词表示序号。

其中，ACK是可能与SYN，FIN等同时使用的，比如SYN和ACK可能同时为1，它表示的就是建立连接之后的响应，如果只是一个SYN，它表示的只是建立连接。TCP的几次握手就是通过这样的ACK表现出来的。但SYN与FIN是不会同时为1的，因为前者表示的是建立连接，而后者表示的是断开连接。

RST一般是在FIN之后才会出现为1的情况，表示的是连接重置。当出现FIN包或RST包时，可以认为客户端与服务器端断开了连接；而当出现SYN和SYN＋ACK包时，则可以认为客户端与服务器建立了一个连接。PSH为1的情况，一般只出现在 DATA内容不为0的包中，也就是说PSH为1表示的是有真正的TCP数据包内容被传递。

读到这里，好奇的小伙伴可能会问，为什么TCP连接是3次握手呢？为什么不是2次握手或者4次握手呢？让我们一起来寻根究底，探寻一下原因吧。

为什么不用两次?主要是为了防止已经失效的连接请求报文突然又传送到了服务器，从而不必要的错误。可以假设这样一种场景，客户端发送的第一个请求连接没有丢失，而是延迟到达，由于TCP的客户端在超时时间内没有收到服务器的确认报文，以为服务器没有收到，此时会重新向服务器发送这条报文，这时客户端和服务器在经过两次握手完成连接并传输数据后关闭了连接。然后之前滞留的那一次请求连接，因为网络通畅到达了服务器，这个报文本该是失效的，但是，两次握手的机制将会让客户端和服务器再次建立连接，这将导致不必要的错误和资源浪费。

而如果采用的是三次握手，即使前面一次失效的报文又传送过来了，服务端接受到了那条失效报文并且回复了确认报文，但是客户端不会再次发出确认。由于服务器收不到确认，就可以知道客户端并没有请求连接，该次报文请求是失效的。

那为什么不用四次?这时因为三次已经可以满足需要了, 四次就多余了，而多余就意味着资源的浪费，自然而然应该被摒弃了。

五：TCP之四次挥手

1）客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
2）服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
3）客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。
4）服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
5）客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
6）服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手？

答：因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，”你发的FIN报文我收到了”。只有等到我Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。

为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态？

答：虽然按道理，四个报文都发送完毕，我们可以直接进入CLOSE状态了，但是我们必须假象网络是不可靠的，有可以最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。在Client发送出最后的ACK回复，但该ACK可能丢失。Server如果没有收到ACK，将不断重复发送FIN片段。所以Client不能立即关闭，它必须确认Server接收到了该ACK。Client会在发送出ACK之后进入到TIME_WAIT状态。Client会设置一个计时器，等待2MSL的时间。如果在该时间内再次收到FIN，那么Client会重发ACK并再次等待2MSL。所谓的2MSL是两倍的MSL(Maximum Segment Lifetime)。MSL指一个片段在网络中最大的存活时间，2MSL就是一个发送和一个回复所需的最大时间。如果直到2MSL，Client都没有再次收到FIN，那么Client推断ACK已经被成功接收，则结束TCP连接。

如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？

TCP还设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75秒钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。详情请加微信17388160749。
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