详解TCP/IP

一、背景

TCP/IP中文译为传输控制协议/因特网互联协议。是当前流行的网络传输协议框架，从严格意义上讲它是一个协议族，因为TCP、IP是其中最核心的协议，所以把该协议族成为TPC/IP。

二、TCP /IP协议的分层框架

应用层：
应用层是我们经常接触使用的部分，比如常用的http协议、ftp协议（文件传输协议）、snmp（网络管理协议）、telnet （远程登录协议 ）、smtp（简单邮件传输协议）、dns（域名解析），它的作用是传输层的数据到达应用层程序时，以某种统一规定的协议格式解读数据。

传输层:
传输层的作用就是在数据包通过网络发送到目标计算机后，应用程序在传输层定义逻辑端口，确认身份后，将数据包交给应用程序，实现端口到端口的通信。
tcp:面向连接（先要和对方确定连接、传输结束需要断开连接，类似打电话）、复杂可靠的、有很好的重传和查错机制。一般用与高速、可靠的通信服务
udp:面向无连接（无需确认对方是否存在，类似寄包裹）、简单高效、没有重传机制。一般用于即时通讯、广播通信等

网络层：
根据IP定义网络地址，区分网段。子网内根据地址解析协议（ARP）进行MAC寻址，子网外进行路由转化数据包，这个数据包就是IP数据包。

链路层：
数据链路层一般用来处理连接硬件的部分，包括控制网卡、硬件相关的设备驱动等。传输单位数据帧。

物理层：
物理层一般为负责数据传输的硬件，比如我们了解的双绞线电缆、无线、光纤等。比特流光电等信号发送接收数据。

总结一下，程序在发送消息时，应用层按既定的协议打包数据，随后传输层加上双方的端口号，由网络层加上双发的IP地址，由链路层加上双方的MAC地址，并将数据拆分成数据帧，经过多个路由器和网关后，到达目标机器。简而言之，就是按照“端口 ->IP地址->MAC地址” 这样的路径进行数据的封装和发送，解包的时候发过来操作即可。

三、TCP建立协议步骤（三次握手）

TCP的FLAG有6个bit组成:SYN(synchronous建立联机) ACK(acknowledgement 确认) PSH(push传送) FIN(finish结束) RST(reset重置) URG(urgent紧急)

Sequence number(顺序号码) Acknowledge number(确认号码)

第一次握手：主机A发送位码为syn＝1,随机产生seq number=1234567的数据包到服务器，主机B由SYN=1知道，A要求建立联机；

第二次握手：主机B收到请求后要确认联机信息，向A发送ack number=(主机A的seq+1),syn=1,ack=1,随机产生seq=7654321的包

第三次握手：主机A收到后检查ack number是否正确，即第一次发送的seq number+1,以及位码ack是否为1，若正确，主机A会再发送ack number=(主机B的seq+1),ack=1，主机B收到后确认seq值与ack=1则连接建立成功。

完成三次握手，主机A与主机B开始传送数据

三次握手的意义在于需要确认一下信息：

open too many file
从编程的角度，TCP连接的建立是通过文件描述符完成的，通过创建套接字符获得一个fd，然后服务端和客户端需要基于所获得的fd调用不同的函数分别进入监听状态和发起连接请求，因为fd的数量将决定服务端进程所能建立的数量，对于大规模分布式服务来说，当fd不足时就会出现open too many file错误而使得无法建立更多的连接。

四、TCP断开连接（四次挥手）

由于TCP连接是全双工通信，双发都能作为数据的发送方和接收方，因此每个方向都必须单独进行关闭。这个原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。

（1）客户端A发送一个FIN，用来关闭客户A到服务器B的数据传送（报文段4）。
（2）服务器B收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1（报文段5）。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。
（3）服务器B关闭与客户端A的连接，发送一个FIN给客户端A（报文段6）。
（4）客户端A发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1（报文段7）。

按照《码出高效》一书通俗的解释四次挥手可以这样描述：
男生：我们分手吧
女生：好的，我的东西收拾完，发短信给你（此时男生不能再拥抱女生了）
女生：我的东西收拾好了，分手吧（此时，女生也不能拥抱男生了）
男生：好的。（此时经过两个月的过渡期，双方才能找新的对象）

在这个过程中有两种状态值得注意CLOSE_WAIT和TIME_WAIT分别代表被动关闭和主动关闭产生的阶段性状态，如果线上服务器大量出现这两种状态，就会加重机器负载，也会影响有效的连接的创建，隐刺需要进行调优。
TIME_WAIT:即上面男生第二次说话之后的状态，表示主动要求关闭的机器表示收到了对方FIN的报文，并发送了ACK报文，进入了TIME_WAIT状态，等2msl后即可进入到CLOSED状态。

CLOSE_WAIT:即上面女生第一次说完之后的状态，表示被动要求关闭的机器收到对方请求关闭连接的FIN报文在第一次ack应答之后，马上进入CLOSE_WAIT状态。这种状态其实表示在等待关闭，并通知应用程序发送剩余数据，处理县城信息，关闭相关资源。

TIME_WAIT是挥手四次断开连接的尾声，如果此状态连接过多，则可以通过优化服务器参数得到解决（time_wait后等待的时间调小），大马上就哦CLOSE_WAIT过多很可能是程序自身的问题，比如在对方关闭连接后，程序没有检测到，或者自己忘记关闭连接，例如程序处理完业务逻辑后没有释放流操作，但程序一致运行正常，等到大量触发该业务逻辑是，就会导致生产事故的发生。

总结：

1．为什么建立连接协议是三次握手，而关闭连接却是四次握手呢？

这是因为服务端的LISTEN状态下的SOCKET当收到SYN报文的建连请求后，它可以把ACK和SYN（ACK起应答作用，而SYN起同步作用）放在一个报文里来发送。但关闭连接时，当收到对方的FIN报文通知时，它仅仅表示对方没有数据发送给你了；但未必你所有的数据都全部发送给对方了，所以你可以未必会马上会关闭SOCKET,也即你可能还需要发送一些数据给对方之后，再发送FIN报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了，所以它这里的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的.

2．为什么TIME_WAIT状态还需要等2MSL后才能返回到CLOSED状态？

这是因为虽然双方都同意关闭连接了，而且握手的4个报文也都协调和发送完毕，按理可以直接回到CLOSED状态（就好比从SYN_SEND状态到ESTABLISH状态那样）；但是因为我们必须要假想网络是不可靠的，你无法保证你最后发送的ACK报文会一定被对方收到，因此对方处于LAST_ACK状态下的SOCKET可能会因为超时未收到ACK报文，而重发FIN报文，所以这个TIME_WAIT状态的作用就是用来重发可能丢失的ACK报文。