TCP协议详细解析

TCP协议详细总结

本篇文章详细解析TCP协议基础知识，包括三次握手，四次握手、报文分析以及设计到的网络编程等方面知识。

基本描述

TCP协议，中文名称：传输控制协议，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议
面向连接的：在彼此交换数据前，需要建立一条连接，该连接建立完成后，会一直保持，知道该连接被主动或者被动超时断开。否则连接一直存在。
可靠的：当TCP发送一段数据之后，对端收到数据会返回确认，表示接收到了，如果没有收到确认，那么会将数据重传数次，并等待更长的时间。
基于字节流的：TCP发送的数据是基于8位字节表示的数据流

TCP连接的建立和终止

三次握手

建立连接过程可以通过举例子让大家更好的理解一下。销售员小明按照约定去客户家里向他推销自己的产品。小明首根据地址到客户家里，要想让客户开门，他第一步需要“核查楼牌号，开始敲门”，如果客户在家，听到有人敲门，打开门前需要问“哪位”，这个时候小明需要立即表明自己的身份说“您好，我是销售小明”，客户确定是小明之后，就会把门打开让他进去。这样连接就建立成功了，之后小明就开始跟客户介绍他所推荐的产品。
TCP建立连接过程，大家通常称为三次握手，完成三次握手之后，则TCP连接就建立完成，如下图为三次握手简图，小明就是客户端，客户就是服务器。

通过以上图片我们结合打电话的例子去分析TCP建立连接这个过程：
第一步：小明(客户端)想给客户介绍产品，他确认地址，开始敲门这个过程就是客户端发送SYN请求这个流程；
第二步：客户听到敲门声，问清楚身份“您好，你谁谁”，就是服务器端接收到客户端发送SYN请求建立连接报文后，主动回复SYN，ACK报文；
第三步：小明听到客户说话后，立即说“您好，我是销售小明”，就是客户端完成连接最后一步，发送ACK报文确认。
这样，小明就进入客户家里向他介绍自己的产品。
这个过程中，中间有任何一个环节出现错误，该连接都无法建立成功，小明敲门、客户没在家，没有回复任何信息、以及小明听到客户回复时，没有表明自己的身份。

三次握手阶段，TCP协议端口会处在不同状态，
LISTENING：服务出去监听状态，监听客户端发送连接请求，即等待被连接
SYN-SEND:客户端调用connect，发送SYN报文后，未收到ACK回复报文
SYN-RECV::服务端收到客户端SYN建立连接请求报文，会主动回复SYN，ACK报文，服务器等待客户段回复ACK确认报文。
ESTABISHED:表示连接建立成功状态

四次挥手

TCP连接终止过程我们通常称为四次挥手，那么为什么断开连接时会需要四个阶段呢？我们也可以结合身边的例子去理解。可以通过老师下课的场景。
下课铃声响起，老师还在给同学上课，当老师把本节课的内容都讲完之后，说“同学们，本节课就到这，大家没有问题我就走了”，同学回复“老师再见”，但是这个时候，同学小王还有一些问题需要请教老师，就站起来说“老师，我有一些问题”请教一下，这个时候老师还没有走，他需要解答同学的问题，当小王同学没有问题的时候，就会跟老师说“老师，我们没有问题了，您可以走了”，这个时候老师说“好的”，之后才会离开课堂，结束本堂课程。

我们通过上面图片结合我们的例子去分析四次挥手的各个阶段
第一步：老师表明自己的课程已经讲完了，可以准备下课了。
第二步：同学回复老师“老师再见”，但是小王还有问题需要请假，所以他叫住老师，把他的问题跟老师讨论。这个时候老师还是没有离开课堂。
第三步：小王问题都解决完成后，主动告诉老师，自己已经没有问题了，老师可以走了。
第四步：老师确定小王没有问题之后，才会离开课堂。
为什么会需要四个阶段呢？主要原因是因为当一方主动断开连接时，不能保证对方所有数据都发送完成，这个时候处于半关闭，如果对方还有数据没有发送完成，仍需要对数据处理，需要等待对方所有数据发送完成后，并主动发送断开请求后，才可以完全终止连接。

同样的，终止连接TCP也会处于不同的状态
FIN-WAIT1：程序调用close函数，主动发送FIN断开连接报文后，在收到对方回复ACK确认报文前，处于该状态。
FIN-WAIT2：收到对方回去确认ACK报文后，出去该状态，保持到对法发送FIN，ACK主动退出请求报文前。
TIME-WAIT：收到对方发送FIN，ACK关闭请求报文，回复对刚ACK确认报文后，处于该状态，该状态会保持2MSL，防止对方请求重传。
CLOSE-WAIT：被动收到FIN断开连接请求，回复ACK报文后进入该状态，一直保持到本端主动发送FIN，ACK断开连接请求，之后进入LAST-ACK状态
LAST_ACK：本端发送FIN，ACK断开连接请求后，接收到对方确认报文ACK前处于该状态
CLOSED：由TIME-WAIT状态等待2MSL时间后或者处于LAST-ACK状态受到对方ACK确认报文之后，会进入CLOSED状态。

TCP报文分析

报文是TCP协议完成报文，结合这个报文可以简单对seq、以及ack的值讲解一下。
seq这个值表示的是本报文数据开始的位置，因为TCP是基于字节流，可以把所有需要发送的数据看成一条很长很长的字符串，因为每次传输的报文内容会分片，不可能一次把所有报文都发到目标，而且还会出现报文丢失问题，这个时候就需要在报文中标识本条报文开始的位置，也就是字符串的下标位置，这样对方收到报文后就可以将报文分片进行重组。
ack这个值表示的是收到对方多少报文，这个值从开始就累加，用来确认我确实收到了这些报文，方便对方清理发送缓冲区。