深入理解TCP、IP的三次握手和四次挥手

一、TCP的特性

TCP 提供一种面向连接的、可靠的字节流服务
在一个 TCP 连接中，仅有两方进行彼此通信。广播和多播不能用于 TCP
TCP 使用校验和，确认和重传机制来保证可靠传输
TCP 给数据分节进行排序，并使用累积确认保证数据的顺序不变和非重复
TCP 使用滑动窗口机制来实现流量控制，通过动态改变窗口的大小进行拥塞控制

注意：TCP 并不能保证数据一定会被对方接收到，因为这是不可能的。TCP 能够做到的是，如果有可能，就把数据递送到接收方，否则就（通过放弃重传并且中断连接这一手段）通知用户。因此准确说 TCP 也不是 100% 可靠的协议，它所能提供的是数据的可靠递送或故障的可靠通知。

二、TCP报文格式

2.1 TCP报文图片解释

2.2 TCP报文详解

源端口和目的端口

各占2个字节，分别写入源端口号和目的端口号。比如客户端端口号10000，服务器端口号9999，那么客户端发送的报文段中源端口号为10000，目的端口号为9999。服务器发送的报文段相反
序列号

占4个字节，范围是0~2的32次方。表示数据的第一个字节的序列号，由于TCP的数据交互是基于序列号的（控制滑动窗口），发送方通过序列号控制发送数据以及超时重传，接收方通过序列号控制乱序重排

接收方可以根据第一个字节序列号 + 数据个数算出最后一个字节的序列号，并将其加一用作应答

当序列号增加到2的32次方-1后，会重新从0开始，由于232232字节为4GB，可以保证重复使用的序列号代表的数据已经成功到达对端

确认号

占4个字节，表示期望下次收到的序列号。比如服务器收到客户端发来的报文段，其序列号字段值为501，并通过计算可知数据长度为200，所以服务器可以算出最后一个字节的序列号为700。这表明服务器正确收到了客户端发送的序列号到700为止的数据，因此，服务器期望下次收到的序列号为701，并将其作为确认号放入应答报文段中
数据偏移

占4位（注意这个单位是位，不是字节），表示TCP报文段的第一个数据距离报文段起始处有多远。由于TCP报文段首部长度不确定，20到60字节不等，所以需要一个字段用于找到数据起始处

数据偏移代表的是4字节的倍数，由于4位二进制最大可以表示15，所以数据偏移最大为4 * 15 = 60，这也是TCP报文段首部的最大长度
保留

占6位，目前不使用
控制位

TCP报文段首部存在6个控制位，用于说明报文段的性质，每个控制字段占1位
- 紧急URG
  表示报文段中的数据是紧急数据，需要马上处理。接收方收到这种类型的报文段后，不会像正常流程那样将数据追加到接收缓冲区末尾，而是插到缓冲区开始的位置，这样应用程序就可以立即读取紧急数据
  
  比如键入Ctrl + C时，就会将这条中断信息放在缓冲区头部，否则，只有当应用程序将之前的数据全部处理完才能够接收这个终止信息
该控制位需要配合紧急指针一同使用
- 确认ACK
  
  只有当ACK位被置1时确认号才有用。TCP规定，连接建立后发送的所有报文段ACK位都必须置1
- 推送PSH
  
  当发送方希望数据可以立即发送给对端时，TCP会将报文段首部的PSH位置1，接收方同样将PSH位置1的报文段中的数据尽快告知应用程序。该控制位很少使用，因为TCP会自己决定什么时候应该使用PUSH操作
- 复位RST
  
  用于复位，表示连接出现错误，应当立即关闭。当TCP接收到复位报文段后会通知应用程序连接被复位，随后关闭连接
- 同步SYN
  
  连接建立的过程中用于同步序列号，告知对方自己的起始序列号。可以根据对方的序列号初始化缓冲区起点（滑动窗口）
  
  SYN=1，ACK=0时表示一个连接请求报文段，SYN=1，ACK=1表示一个连接接收报文段
- 终止FIN
  
  用于释放连接，报文段中FIN控制位为1表示已经将数据发送完毕，等待关闭连接
窗口

占2个字节，表示发送该报文段的一方能够接收的字节数，用于控制对端发送数据的个数（控制对端滑动窗口）

窗口值范围为0 ~ 2的16次方-1
校验和

占2个字节，用于检验报文段是否出错。发送方根据发送的报文段计算检验和填入报文段首部，接收方根据接收的报文段重新计算，如果不匹配，表明报文段出错
紧急指针

占2个字节，表示紧急数据的个数，因为报文段中可以既包含紧急数据也可以包含普通数据，该字段用于区分二者。只有紧急URG控制位置1时才有效
选项

在TCP报文头部的前20个字节是固定的。有时TCP报文也会在报文头部增加一些选项，该部分的长度不固定，不同的应用场景会有所变化。

该部分的可选项常用的包含但不仅限于有以下几种：

1.最大报文传输段（即常提到的MSS）: 用于确定每一个TCP报文段中科传输的最大的数据长度（注意，不包括头部）

2.窗口扩大选项：TCP的窗口大小最大为64K，在大多数时候这是够用的，但有时候为了提高吞吐量，就需要对窗口扩大，这个时候，就需要使用该选项对窗口进行扩大。

3.时间戳选项:可以用来计算RLL，进而可以用于TCP的拥塞控制。

三、TCP连接的建立（三次握手）

最开始的时候客户端和服务器都是处于CLOSED状态。主动打开连接的为客户端，被动打开连接的是服务器。

3.2 三次握手流程

TCP服务器进程先创建传输控制块TCB，时刻准备接受客户进程的连接请求，此时服务器就进入了LISTEN（监听）状态；
TCP客户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，这是报文首部中的同部位SYN=1，同时选择一个初始序列号 seq=x ，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。确认报文中应该 ACK=1，SYN=1，确认号是ack=x+1，同时也要为自己初始化一个序列号 seq=y，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客户进程收到确认后，还要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1，ack=y+1，自己的序列号seq=x+1，此时，TCP连接建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。TCP规定，ACK报文段可以携带数据，但是如果不携带数据则不消耗序号。
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。

3.2 为什么TCP客户端最后还要发送一次确认呢

一句话，主要防止已经失效的连接请求报文突然又传送到了服务器，从而产生错误。

如果使用的是两次握手建立连接，假设有这样一种场景，客户端发送了第一个请求连接并且没有丢失，只是因为在网络结点中滞留的时间太长了，由于TCP的客户端迟迟没有收到确认报文，以为服务器没有收到，此时重新向服务器发送这条报文，此后客户端和服务器经过两次握手完成连接，传输数据，然后关闭连接。此时此前滞留的那一次请求连接，网络通畅了到达了服务器，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的浪费。

如果采用的是三次握手，就算是那一次失效的报文传送过来了，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，就知道客户端并没有请求连接。

四、TCP连接的释放（四次挥手）

数据传输完毕后，双方都可释放连接。最开始的时候，客户端和服务器都是处于ESTABLISHED状态，然后客户端主动关闭，服务器被动关闭。

4.1 四次挥手流程

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。
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。
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）。
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。
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。
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。

4.2 为什么客户端最后还要等待2MSL？

MSL（Maximum Segment Lifetime），TCP允许不同的实现可以设置不同的MSL值。

第一，保证客户端发送的最后一个ACK报文能够到达服务器，因为这个ACK报文可能丢失，站在服务器的角度看来，我已经发送了FIN+ACK报文请求断开了，客户端还没有给我回应，应该是我发送的请求断开报文它没有收到，于是服务器又会重新发送一次，而客户端就能在这个2MSL时间段内收到这个重传的报文，接着给出回应报文，并且会重启2MSL计时器。

第二，防止类似与“三次握手”中提到了的“已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中。客户端发送完最后一个确认报文后，在这个2MSL时间中，就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文。

4.3 为什么建立连接是三次握手，关闭连接确是四次挥手呢？

建立连接的时候，服务器在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。
而关闭连接时，服务器收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，而自己也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即关闭，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送，从而导致多了一次。

4.4 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。

https://hit-alibaba.github.io/interview/basic/network/TCP.html

https://blog.csdn.net/qzcsu/article/details/72861891