1. TCP协议的三次握手

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TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是面向连接的协议，也就是说，在收发数据前，必须和对方建立可靠的连接。
一个TCP连接必须要经过三次“对话”才能建立起来，其中的过程非常复杂，只简单的描述下这三次对话的简单过程：主机A向主机B发出连接请求数据包：“我想给你发数据，可以吗？”，这是第一次对话；主机B向主机A发送同意连接和要求同步（同步就是两台主机一个在发送，一个在接收，协调工作）的数据包：“可以，你什么时候发？”，这是第二次对话；主机A再发出一个数据包确认主机B的要求同步：“我现在就发，你接着吧！”，这是第三次对话。三次“对话”的目的是使数据包的发送和接收同步，经过三次“对话”之后，主机A才向主机B正式发送数据。

TCP协议的三次握手动态图

1、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；
2、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步位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。
3、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。
4、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（就没有seq=x+1）。
5、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。

TCP协议的三次握手

（其中大写的字母表示状态位，小写字母表示序号，ack表示相应的序号，seq表示报文的序号；）
1、确认位ACK，仅当ACK=1时，确认号字段才有效。TCP规定，在连接建立后所有报文的传输都必须把ACK置1；
2、同步位SYN，在连接建立时用来同步序号。当SYN=1，ACK=0，表明是连接请求报文，若同意连接，则响应报文中应该使SYN=1，ACK=1；

为什么TCP客户端最后还要发送一次确认呢？

已失效的连接请求报文段”的产生在这样一种情况下：client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某个网络结点长时间的滞留了，以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。本来这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。于是就向client发出确认报文段，同意建立连接。假设不采用“三次握手”，那么只要server发出确认，新的连接就建立了。由于现在client并没有发出建立连接的请求，因此不会理睬server的确认，也不会向server发送数据。但server却以为新的运输连接已经建立，并一直等待client发来数据。这样，server的很多资源就白白浪费掉了。采用“三次握手”的办法可以防止上述现象发生。例如刚才那种情况，client不会向server的确认发出确认。server由于收不到确认，就知道client并没有要求建立连接。

2.TCP的四次挥手

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。

TCP四次挥手动态图

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。

TCP的四次挥手

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。

原因有二：
一、保证TCP协议的全双工连接能够可靠关闭
二、保证这次连接的重复数据段从网络中消失

• 先说第一点，如果Client直接CLOSED了，那么由于IP协议的不可靠性或者是其它网络原因，导致Server没有收到Client最后回复的ACK。那么Server就会在超时之后继续发送FIN，此时由于Client已经CLOSED了，就找不到与重发的FIN对应的连接，最后Server就会收到RST而不是ACK，Server就会以为是连接错误把问题报告给高层。这样的情况虽然不会造成数据丢失，但是却导致TCP协议不符合可靠连接的要求。所以，Client不是直接进入CLOSED，而是要保持TIME_WAIT，当再次收到FIN的时候，能够保证对方收到ACK，最后正确的关闭连接。

• 再说第二点，如果Client直接CLOSED，然后又再向Server发起一个新连接，我们不能保证这个新连接与刚关闭的连接的端口号是不同的。也就是说有可能新连接和老连接的端口号是相同的。一般来说不会发生什么问题，但是还是有特殊情况出现：假设新连接和已经关闭的老连接端口号是一样的，如果前一次连接的某些数据仍然滞留在网络中，这些延迟数据在建立新连接之后才到达Server，由于新连接和老连接的端口号是一样的，又因为TCP协议判断不同连接的依据是socket pair，于是，TCP协议就认为那个延迟的数据是属于新连接的，这样就和真正的新连接的数据包发生混淆了。所以TCP连接还要在TIME_WAIT状态等待2倍MSL，这样可以保证本次连接的所有数据都从网络中消失。

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。

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。

四次挥手中主动断开链接的一方为什么要进入TIME_WAIT状态 ？

TCP连接是全双工通信，断开连接的主动方和被动方都需要自主关闭通信链路，TCP正常情况下连接断开会进行四次挥手：
1.由主动断开方发起FIN
2.被动方回复ACK
3.待被动方数据传输完成，被动方发送FIN
4.主动方回复ACK，并进入TIME_WAIT状态

因为TCP是建立在非连接链路的可靠传输通信方式，在TCP连接中，当被动方发送的FIN报文到达时，主动方会发送ACK确认报文，并且进入TIME_WAIT状态，TIME_WAIT的状态会持续2MSL （MSL是报文在网络中生存的最大生命周期）。那这里主动发送方为什么要进入TIME_WAIT状态，并且TIME_WAIT状态为什么需要2MSL的状态？

有下述两个原因：

1. 若在第四次挥手时发出ACK确认应答时，由于网络原因导致ACK确认应答的报文没有被被动方收到，等到2MSL从而触发被动方重新发送FIN包，因而主动关闭连接的一方需要停留在TIME_WAIT等待状态以处理对方重新发送的FIN数据包。否则它会回应一个RST数据包给被动关闭连接的一方，引起被动方关闭流程错乱。

2.在TIME_WAIT状态下，是不允许应用程序在当前ip和端口上与之前通信的client(这个client的ip和端口号不变)建立一个新的连接的。这样就能避免新连接收到之前的连接（ip和端口一致的连接）残存在网络中的数据包了。这也是TIME_WAIT状态的等待时间被设置为2MSL的原因，以确保当前网络两个连接方向上的尚未接收到的TCP报文已经全部消失 。

TCP的状态转移

TCP/IP报文头部结构

1、IP

IP协议是TCP/IP协议族的动力，它为上层协议提供无状态、无连接、不可靠的服务。

• 优点：简单，高效。

• 无状态：IP通信双方不同步传输数据的状态信息，所有的IP数据报的传输都是独立的。所以容易发生重复和乱序的情况并且IP层不予处理。 然后将这些乱序的交给上层传输层（TCP/UDP等）来处理，将其处理成有序的，正确的。再交给应用层。

• 不可靠：IP协议不能保证IP数据报准确到达。所以它提供ICMP报文来辅助，一旦检测到IP数据报发送失败，通知上层协议。

IP头部信息：
头部长度：通常20字节，有选项时更长，总共不超过60字节。
IP数据报长度：65535字节。
逐个分析：

• 4位版本号：IP协议（IPv4）版本号位4

• 4位头部长度：标识头部有多少个4字节，即最大共15*4个字节

• 8位服务类型：包含一个4位优先权字段：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性和最小费用。

• 16位总长度：表示整个IP数据报的长度，最大表示65535，但由于MTU限制，一般无法到达这个值。

• 16位标识：唯一的标识数据报。系统采用加1的式边发送边赋值。

• 3位标识（保留，DF禁止分片，MF更多分片）：所以这个标志是为分片存在，DF设置时禁止分片所以如果数据报太大则发送失败。MF设置时，如果产生分片，除了最后一个分片，其他此片置1。

• 13位分片偏移：分片相对原始IP数据报开始处的偏移。

• 8位生存时间（TTL）：数据报到达目的地之前允许经过的路由跳跳数。跳一下减1，得0丢弃。

• 8位协议：用来区分上层协议（ICMP为1，TCP为6，UDP为17）。

• 16位头部校验和：仅以CRC算法检验数据报头部在传输过程中是否损坏。

• 32位源端口IP地址和目的端口地址很明白。

• 选项（可变长）：记录路由，告诉途径得所有路由把IP填进来。 时间戳，告诉每个路由器都将数据报被转发的时间传进来。松散路由选择，指定一个路由器IP地址列表，必须按这个表发送，严格路由选择，数据报经过路由表。

2、TCP报文结构

特点：可靠性。通过连接管理（三握四挥），序列号，确认号，拥塞控制，重传控制来保证可靠性。
头部长度：一般为20字节，选项最多40字节，限制60字节。

逐个分析：

• 16位源端口号和16位目的端口号。

• 32位序号：一次TCP通信过程中某一个传输方向上的字节流的每个字节的编号，通过这个来确认发送的数据有序，比如现在序列号为1000，发送了1000，下一个序列号就是2000。

• 32位确认号：用来响应TCP报文段，给收到的TCP报文段的序号加1，三握时还要携带自己的序号。

• 4位头部长度：标识该TCP头部有多少个4字节，共表示最长15*4=60字节。同IP头部。

• 6位保留。6位标志。URG（紧急指针是否有效）ACK（表示确认号是否有效）PSH（提示接收端应用程序应该立即从TCP接收缓冲区读走数据）RST（表示要求对方重新建立连接）SYN（表示请求建立一个连接）FIN（表示通知对方本端要关闭连接）

• 16位窗口大小：TCP流量控制的一个手段，用来告诉对端TCP缓冲区还能容纳多少字节。

• 16位校验和：由发送端填充，接收端对报文段执行CRC算法以检验TCP报文段在传输中是否损坏。

• 16位紧急指针：一个正的偏移量，它和序号段的值相加表示最后一个紧急数据的下一字节的序号。