TCP协议

一.TCP协议

传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

特点：

1）基于流的方式；

（2）面向连接；（在通信之前要通过三次握手建立链接）

（3）可靠通信方式；（确保数据不会丢失）

（4）在网络状况不佳的时候尽量降低系统由于重传带来的带宽开销；（拥塞控制）

（5）通信连接维护是面向通信的两个端点的，而不考虑中间网段和节点。

因为有着拥塞控制和可靠数据传输的要求所以导致了TCP协议的传输效率相对于UDP要低，但是不会像UDP一样出现丢包现象。

二.TCP协议的报文格式

首先来解释一下端口号及其作用：首先我们要知道当两个不同主机之间的进程要实现通信的时候实际上是通过socket（套接字接口）来实现的。所谓的套接字就是同一台主机内应用层与运输层之间的接口。对于发送端，应用层将数据发送给套接字再由套接字送至运输层，在接收端，套接字从运输层中读取数据，在将其发送给应用层。

那么问题来了，当一个套接字收到数据或者是发送数据的时候，怎么才能判断到底是什么服务的数据。（是电子邮件的服务，还是文件传输的服务等等）因此我们引入了端口号（port）来标识具体的服务，也就是说一个具体的端口号对应了一种具体的服务，而套接字正是通过识别不同的端口号来达到区分服务的目的。

1.源端口号：报文的发送端口

2.目的端口号：报文的就收端口

3.序号（seq）确认号（ack）：这两个字段及其重要。TCP的可靠数据传输主要就是依赖于这两个字段。

序号（Sequence Number）：TCP传输过程中，在发送端出的字节流中，传输报文中的数据部分的每一个字节都有它的编号。

序号（Sequence Number）的语义与SYN控制标志（Control
Bits）的值有关。根据控制标志（Control Bits）中的SYN是否为1，序号（Sequence
Number）表达不同的含义：

（1）当SYN = 1时，当前为连接建立阶段，此时的序号为初始序号ISN((Initial Sequence
Number)，通过算法来随机生成序号；

（2）当SYN = 0时在数据传输正式开始时，第一个报文的序号为 ISN +
1，后面的报文的序号，为前一个报文的SN值+TCP报文的净荷字节数(不包含TCP头)。比如，如果发送端发送的一个TCP帧的净荷为12byte，序号为5，则发送端接着发送的下一个数据包的时候，序号的值应该设置为5+12=17。

确认序号（AcknowledgmentNumber）：

标识了报文接收端期望接收的字节序列。如果设置了ACK控制位，确认序号的值表示一个准备接收的包的序列码，注意，它所指向的是准备接收的包，也就是下一个期望接收的包的序列码。

4.控制标志位

控制标志（Control
Bits）共6个bit位，具体的标志位为：URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN。6个标志位的说明，如下表所示。
URG    占1位，表示紧急指针字段有效。URG位指示报文段里的上层实体（数据）标记为“紧急”数据。当URG=1时，其后的紧急指针指示紧急数据在当前数据段中的位置(相对于当前序列号的字节偏移量)，TCP接收方必须通知上层实体。
ACK    占1位，置位ACK=1表示确认号字段有效；TCP协议规定，接建立后所有发送的报文的ACK必须为1；当ACK=0时，表示该数据段不包含确认信息。当ACK=1时，表示该报文段包括一个对已被成功接收报文段的确认序号Acknowledgment Number，该序号同时也是下一个报文的预期序号。
PSH    占1位，表示当前报文需要请求推（push）操作；当PSH=1时，接收方在收到数据后立即将数据交给上层，而不是直到整个缓冲区满。
RST    占1位，置位RST=1表示复位TCP连接；用于重置一个已经混乱的连接，也可用于拒绝一个无效的数据段或者拒绝一个连接请求。如果数据段被设置了RST位，说明报文发送方有问题发生。
SYN    占1位，在连接建立时用来同步序号。当SYN=1而ACK=0时，表明这是一个连接请求报文。对方若同意建立连接，则应在响应报文中使SYN=1和ACK=1。 综合一下，SYN置1就表示这是一个连接请求或连接接受报文。
FIN    占1位，用于在释放TCP连接时，标识发送方比特流结束，用来释放一个连接。当 FIN = 1时，表明此报文的发送方的数据已经发送完毕，并要求释放连接。

在连接建立的三次握手过程中，若只是单个SYN置位，表示的只是建立连接请求。如果SYN和ACK同时置位为1，表示的建立连接之后的响应.

5.窗口大小：

长度为16位，共2个字节。此字段用来进行流量控制。流量控制的单位为字节数，这个值是本端期望一次接收的字节数。

6.检验和：

长度为16位，共2个字节。对整个TCP报文段，即TCP头部和TCP数据进行校验和计算，接收端用于对收到的数据包进行验证。

三.TCP的三次握手和四次挥手

三次握手过程
TCP连接的建立时，双方需要经过三次握手，具体过程如下：

（1）第一次握手：Client进入SYN_SENT状态，发送一个SYN帧来主动打开传输通道，该帧的SYN标志位被设置为1，同时会带上Client分配好的SN序列号，该SN是根据时间产生的一个随机值，通常情况下每间隔4ms会加1。除此之外，SYN帧还会带一个MSS（最大报文段长度）可选项的值，表示客户端发送出去的最大数据块的长度。

（2）第二次握手：Server端在收到SYN帧之后，会进入SYN_RCVD状态，同时返回SYN+ACK帧给Client，主要目的在于通知Client，Server端已经收到SYN消息，现在需要进行确认。Server端发出的SYN+ACK帧的ACK标志位被设置为1，其确认序号AN（Acknowledgment
Number）值被设置为Client的SN+1；SYN+ACK帧的SYN标志位被设置为1，SN值为Server端生成的SN序号；SYN+ACK帧的MSS（最大报文段长度）表示的是Server端的最大数据块长度。

（3）第三次握手：Client在收到Server的第二次握手SYN+ACK确认帧之后，首先将自己的状态会从SYN_SENT变成ESTABLISHED，表示自己方向的连接通道已经建立成功，Client可以发送数据给Server端了。然后，Client发ACK帧给Server端，该ACK帧的ACK标志位被设置为1，其确认序号AN（Acknowledgment
Number）值被设置为Server端的SN序列号+1。还有一种情况，Client可能会将ACK帧和第一帧要发送的数据，合并到一起发送给Server端。

（4）Server端在收到Client的ACK帧之后，会从SYN_RCVD状态会进入ESTABLISHED状态，至此，Server方向的通道连接建立成功，Server可以发送数据给Client，TCP的全双工连接建立完成。

三次握手的图解
三次握手的交互过程，具体如下图所示：

 

Client和Server完成了三次握手后，双方就进入了数据传输的阶段。数据传输完成后，连接将断开，连接断开的过程需要经历四次挥手。

TCP的四次挥手
业务数据通信完成之后，TCP连接开始断开（或者拆接）的过程，在这个过程中连接的每个端的都能独立地、主动的发起，断开的过程TCP协议使用了四路挥手操作。

四次挥手具体过程
四次挥手具体过程，具体如下：

（1）第一次挥手：主动断开方（可以是客户端，也可以是服务器端），向对方发送一个FIN结束请求报文，此报文的FIN位被设置为1，并且正确设置Sequence
Number（序列号）和Acknowledgment
Number（确认号）。发送完成后，主动断开方进入FIN_WAIT_1状态，这表示主动断开方没有业务数据要发送给对方，准备关闭SOCKET连接了。

（2）第二次挥手：正常情况下，在收到了主动断开方发送的FIN断开请求报文后，被动断开方会发送一个ACK响应报文，报文的Acknowledgment
Number（确认号）值为断开请求报文的Sequence Number
（序列号）加1，该ACK确认报文的含义是：“我同意你的连接断开请求”。之后，被动断开方就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态，TCP协议服务会通知高层的应用进程，对方向本地方向的连接已经关闭，对方已经没有数据要发送了，若本地还要发送数据给对方，对方依然会接受。被动断开方的CLOSE-WAIT（关闭等待）还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。

主动断开方在收到了ACK报文后，由FIN_WAIT_1转换成FIN_WAIT_2状态。

（3）第三次挥手：在发送完成ACK报文后，被动断开方还可以继续完成业务数据的发送，待剩余数据发送完成后，或者CLOSE-WAIT（关闭等待）截止后，被动断开方会向主动断开方发送一个FIN+ACK结束响应报文，表示被动断开方的数据都发送完了，然后，被动断开方进入LAST_ACK状态。

（4）第四次挥手：主动断开方收在到FIN+ACK断开响应报文后，还需要进行最后的确认，向被动断开方发送一个ACK确认报文，然后，自己就进入TIME_WAIT状态，等待超时后最终关闭连接。处于TIME_WAIT状态的主动断开方，在等待完成2MSL的时间后，如果期间没有收到其他报文，则证明对方已正常关闭，主动断开方的连接最终关闭。

被动断开方在收到主动断开方的最后的ACK报文以后，最终关闭了连接，自己啥也不管了。

四次挥手的全部交互过程，具体如下图所示：

处于TIME_WAIT状态的主动断开方，在等待完成2MSL的时间后，才真正关闭连接通道，其等待的时间为什么是2MSL呢？

2MSL翻译过来就是两倍的MSL。MSL全称为Maximum Segment
Lifetime，指的是一个TCP报文片段在网络中最大的存活时间，具体来说，2MSL对应于一次消息的来回（一个发送和一个回复）所需的最大时间。如果直到2MSL，主动断开方都没有再一次收到对方的报文（如FIN报文），则可以推断ACK已经被对方成功接收，此时，主动断开方将最终结束自己的TCP连接。所以，TCP的TIME_WAIT状态也称为2MSL等待状态。

有关MSL的具体的时间长度，在RFC1122协议中推荐为2分钟。在SICS（瑞典计算机科学院）开发的一个小型开源的TCP/IP协议栈——LwIP开源协议栈中MSL默认为1分钟。在源自Berkeley的TCP协议栈实现中MSL默认长度为30秒。总体来说，TIME_WAIT（2MSL）等待状态的时间长度，一般维持在1-4分钟之间。

通过三次握手建立连接和四次挥手拆除连接，一次TCP的连接建立及拆除，至少进行7次通信，可见其成本是很高的。

三次握手、四次挥手的常见面试题
有关TCP的连接建立的三次握手及拆除过程的四次挥手的面试问题，是技术面试过程中的出现频率很高的重点和难点问题，常见问题大致如下：

问题（1）：为什么关闭连接的需要四次挥手，而建立连接却只要三次握手呢？
关闭连接时，被动断开方在收到对方的FIN结束请求报文时，很可能业务数据没有发送完成，并不能立即关闭连接，被动方只能先回复一个ACK响应报文，告诉主动断开方：“你发的FIN报文我收到了，只有等到我所有的业务报文都发送完了，我才能真正的结束，在结束之前，我会发你FIN+ACK报文的，你先等着”。所以，被动断开方的确认报文，需要拆开成为两步，故总体就需要四步挥手。

而在建立连接场景中，Server端的应答可以稍微简单一些。当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，其中ACK报文表示对请求报文的应答，SYN报文用来表示服务端的连接也已经同步开启了，而ACK报文和SYN报文之间，不会有其他报文需要发送，故而可以合二为一，可以直接发送一个SYN+ACK报文。所以，在建立连接时，只需要三次握手即可。

问题（2）：为什么连接建立的时候是三次握手，可以改成两次握手吗？
三次握手完成两个重要的功能：一是双方都做好发送数据的准备工作，而且双方都知道对方已准备好；二是双方完成初始SN序列号的协商，双方的SN序列号在握手过程中被发送和确认。

如果把三次握手改成两次握手，可能发生死锁。两次握手的话，缺失了Client的二次确认ACK帧，假想的TCP建立的连接时二次挥手，可以如下图所示：

 

在假想的TCP建立的连接时二次握手过程中，Client发送Server发送一个SYN请求帧，Server收到后发送了确认应答SYN+ACK帧。按照两次握手的协定，Server认为连接已经成功地建立了，可以开始发送数据帧。这个过程中，如果确认应答SYN+ACK帧在传输中被丢失，Client没有收到，Client将不知道Server是否已准备好，也不知道Server的SN序列号，Client认为连接还未建立成功，将忽略Server发来的任何数据分组，会一直等待Server的SYN+ACK确认应答帧。而Server在发出的数据帧后，一直没有收到对应的ACK确认后就会产生超时，重复发送同样的数据帧。这样就形成了死锁。

问题（3）：为什么主动断开方在TIME-WAIT状态必须等待2MSL的时间？
原因之一：主动断开方等待2MSL的时间，是为了确保两端都能最终关闭。假设网络是不可靠的，被动断开方发送FIN+ACK报文后，其主动方的ACK响应报文有可能丢失，这时候的被动断开方处于LAST-ACK状态的，由于收不到ACK确认被动方一直不能正常的进入CLOSED状态。在这种场景下，被动断开方会超时重传FIN+ACK断开响应报文，如果主动断开方在2MSL时间内，收到这个重传的FIN+ACK报文，会重传一次ACK报文，后再一次重新启动2MSL计时等待，这样，就能确保被动断开方能收到ACK报文，从而能确保被动方顺利进入到CLOSED状态。只有这样，双方都能够确保关闭。反过来说，如果主动断开方在发送完ACK响应报文后，不是进入TIME_WAIT状态去等待2MSL时间，而是立即释放连接，则将无法收到被动方重传的FIN+ACK报文，所以不会再发送一次ACK确认报文，此时处于LAST-ACK状态的被动断开方，无法正常进入到CLOSED状态。

原因之二：防止“旧连接的已失效的数据报文”出现在新连接中。主动断开方在发送完最后一个ACK报文后，再经过2MSL，才能最终关闭和释放端口，这就意味着，相同端口的新TCP新连接，需要在2MSL的时间之后，才能够正常的建立。2MSL这段时间内，旧连接所产生的所有数据报文，都已经从网络中消失了，从而，确保了下一个新的连接中不会出现这种旧连接请求报文。

问题（4）：如果已经建立了连接，但是Client端突然出现故障了怎么办？
TCP还设有一个保活计时器，Client端如果出现故障，Server端不能一直等下去，这样会浪费系统资源。每收到一次Client客户端的数据帧后，Server端都的保活计时器会复位。计时器的超时时间通常是设置为2小时，若2小时还没有收到Client端的任何数据帧，Server端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，Server端就认为Client端出了故障，接着就关闭连接。如果觉得保活计时器的两个多小时的间隔太长，可以自行调整TCP连接的保活参数。
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