TCP协议笔记（一）

一、TCP协议简介

因特网的运输层在应用程序断点之间传送应用程序报文，在这一层主要有两种传输协议 TCP和 UDP，利用这两种协议能够传输报文。

TCP 协议的全称是 Transmission Control Protocol 的缩写，意思是传输控制协议，HTTP底层采用TCP 作为通信协议，这是因为 TCP 是一种可靠的协议，保证通讯的数据不丢失。

TCP协议提供面向连接的服务，它能够控制并确认报文能够准确送达，并提供了拥塞机制来控制网络传输，因此当网络拥塞时，会抑制其传输速率。

TCP，提供面向连接的服务，在传送数据之前必须先建立连接，数据传送完成后要释放连接。因此TCP是一种十分可靠的的信息运输服务，为了实现可靠性，不可避免的增加了许多的开销，比如消息确认，网络流量控制等。

面对应用层的协议主要有 SMTP,TELNET,HTTP,FTP 等。

二、TCP的概述

TCP把连接作为最基本的对象，每建立一条TCP连接都连接两个端点，这种端点叫作套接字（socket），它的定义为端口号拼接到IP地址即构成了套接字，例如，若IP地址为192.3.4.16 而端口号为80，那么得到的套接字为192.3.4.16:80。

三、TCP特性

（TCP）传输控制协议，面向连接。是一种提供可靠数据传输的通用协议。

• TCP提供一种全双工通信、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

四、TCP报文组成

源端口和目的端口：各占2个字节，分别写入源端口和目的端口；

序号：Seq序号，占32位，用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流，发起方发送数据时对此进行标记。

确认序号：Ack序号，占32位，只有ACK标志位为1时，确认序号字段才有效，Ack=Seq+1。

标志位：共6个，即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等，具体含义如下：（1）URG：紧急指针（urgent pointer）有效。

（2）ACK：确认序号有效。

（3）PSH：接收方应该尽快将这个报文交给应用层。

（4）RST：重置连接。

（5）SYN：发起一个新连接。

（6）FIN：释放一个连接。

窗口：占2字节，指的是通知接收方，发送本报文你需要有多大的空间来接受；

检验和：占2字节，校验首部和数据这两部分；

紧急指针：占2字节，指出本报文段中的紧急数据的字节数；

选项：长度可变，定义一些其他的可选的参数

五、TCP建立连接（三次握手）

在进行三次握手(Three-way Handshake)建立一个 TCP 连接时，需要客户端和服务器总共发送3个包。三次握手的目的是（1）、连接服务器指定端口；（2）、建立 TCP 连接，并同步连接双方的序列号和确认号；（3）交换 TCP 窗口大小信息。在 socket 编程中，客户端执行 connect() 时。将触发三次握手。

建立连接过程为：

1、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（客户端与服务端都要事先创建TCB传输控制块）。

2、客户端向服务器发送连接请求报文，报文中首部的同步位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。

（大白话翻译：客户端A向服务端B喊到，我要向你发数据）

3、服务器收到客户端的请求连接报文后，同意连接时，就发出确认报文。报文中ACK=1，SYN=1，确认号为ack=x+1,同时服务端也要初始化一个序号seq=y，服务器进程进入了SYN-RCVD（同步收到）状态。

TCP规定：这个确认报文也不能携带数据，也要消耗一个序号。

（大白话翻译：服务端B听到后回答客户端A，好的没有问题，什么时候发过来？）

4、客户端收到确认报文后，还需要向服务端发送确认报文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。

（大白话翻译：客户端A收到B服务端的回答后，A可以确认的是A说的话B能听到，B的回到A也能听到，但是这个时候B还不知道B回答的话A有没有听到，这时就需要A再次应答一下）

关于为什么要进行第三次确认？假设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。

六、TCP释放连接（四次挥手）

TCP释放连接的过程：

1、客户端和服务器都是处于ESTABLISHED状态，当客户端主动关闭，服务器被动关闭（客户端与服务端任何一方都可以主动释放连接）。

2、客户端发送释放连接的报文，同时停止客户端到服务端的数据传输，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），客户端进入FIN-WAIT-1状态（终止等待1）。

TCP规定：FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。

（大白话翻译：客户端A向服务端B说我不再传输数据给你了，A>B方向的连接关掉吧）

3、服务端收到客户端释放连接的报文后，发起确认报文ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，服务端就进入CLOSE-WAIT状态（关闭等待）。服务器通知上层的应用进程，客户端向服务器的方向连接关闭，此时TCP连接处于半关闭状态。虽然此时客户端已经没有数据要发送了，但是服务器如果要发送数据给客户端，客户端还是要接受。这个状态可能要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。

大白话翻译：服务端B说好的，现在关闭A>B方向的连接，但是我还有数据要传给你，B<A方向的连接还不能关，等我发送完）

4、客户端收到服务端的确认报文后，客户端进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文。

（大白话翻译：客户端A收到回答后，默默地等待服务端要求关闭连接的报文）

5、服务器将需要发送给客户端的数据发送完毕后，向客户端发送释放连接的报文，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。

（大白话翻译：服务端B对客户端A说我要发的数据都发完了，关闭连接吧!）

6、客户端收到服务端的关闭连接请求后，发送确认报文，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：注意这个时候TCP连接还是没有释放的，必须经过2MSL（最长报文段寿命）的时间后，才进入CLOSED状态。

（大白话翻译：客户端说好的，现在开始如果2MSL时间内没有收到任何报文，就关闭）

7、服务器收到客户端的确认报文后就立即进入CLOSED状态。

关闭连接需要等待2MSL的原因：

1）、确认客户端发送的最后一个ACK报文到达了服务器，因为这个ACK报文可能丢失，服务端在已经发送了FIN+ACK报文请求断开了，客户端还没有给服务端回应，服务端会认为发送的请求断开报文客户端没有收到，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。

（2）、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。