TCP的基础知识

1. 简介

定义：TCP(Transmission Control Protocol)，即传输控制协议，是一种传输层通信协议。

特点：面向连接、面向字节流、可靠的双全工通信协议。

面向连接：指的是要使用TCP传输数据，必须先建立TCP连接，传输完成后释放连接。就像打电话一样必须先拨号建立一条连接，打完后挂机释放连接。

双全工通信：即一旦建立了TCP连接，通信双方可以在任何时候都能发送数据。

可靠的：指的是通过TCP连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，并且按序到达。

面向字节流：流，指的是流入到进程或从进程流出的字符序列。简单来说，虽然有时候要传输的数据流太大，TCP报文长度有限制，不能一次性传输完，要把它分成好几个数据块，但是由于可靠性保证，接收方可以按顺序接收数据块然后重新组成分块之前的数据流，所以TCP看起来就像直接互相传输字节流一样，面向字节流。

2. TCP/IP的分层管理

TCP/IP协议族里最重要的一点就是分层。TCP/IP协议族按层次分别分为以下4层：应用层、传输层、网络层和数据链路层。

把TCP/IP层次化是有好处的。比如，如果互联网只由一个协议统筹，某个地方需要改变设计时，就必须要把所有部分整体替换掉。而分层之后只需把变动的层替换掉即可。把各层之间的接口部分规划好之后，每个层次内部的设计就能够自由改动了。

值得一提的是，层次化之后，设计也变得相对简单了。处于应用层上的应用可以只考虑分派给自己的任务，而不需要弄清对方在地球上哪个地方、对方的传输路线是怎样的、是否能确保传输等送达问题。

应用层

应用层决定了向用户提供应用服务时通信的活动。

TCP/IP协议族内预存了各类通用的应用服务。比如，FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议）和DNS（Domain Name System，域名系统）服务就是其中两类。Http协议也处于改层。

传输层

传输层对上层应用层，提供处于网络连接中的两台计算机之间的数据传输。

在传输层有两个性质不同的协议：TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）和UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）。

网络层（又名网络互连层）

网络层用来处理在网络上流动的数据包。数据包是网络传输的最小数据单位。改成规定了通过怎样的路径（所谓的传输路线）到达对方计算机，并把数据包传送给对方。

与对方计算机之间通过多台计算机或网络设备进行传输时，网络层所起的作用就是在众多的选项内选择一条传输路线。

链路层（又名数据链路层，网络接口层）

用来处理连接网络的硬件部分。包括控制操作系统、硬件的设备驱动、NIC（Network Interfance Card，网络适配器，即网卡），及光纤等物理可见部分（还包括连接器等一些传输媒介）。硬件上的范畴均在链路层的作用范围之内。

TCP/IP模型和OSI模型

OSI模型分为七层：分别是，应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、链路层和物理层。OSI七层模型对应TCP的四层模型如下所示。

3. TCP的三次握手

TCP建立连接，必须要进行三次握手：若A要与B进行连接，则必须经过以下几个步骤。

第一次握手：建立连接。客户端向服务端发送连接请求报文段，将SYN置为1，Sequence Number置为x；然后，客户端进入SYN_DENT状态，等待服务器的确认。即A发送信息给B。

第二次握手：服务器收到客户端的SYN报文段，需要对这个SYN报文段进行确认。即B收到连接信息后向A返回确认信息。此时服务器进入SYN_RECV状态。确认信息是：SYN=1，回复应答字段ACK=1，Sequence=y，ack=x+1；

第三次握手：（针对服务器端的SYN的确认应答）客户端收到服务器的（SYN+ACK）报文段，并向服务器发送ACK报文段。即A收到确认信息后再次向B返回确认连接信息。此时客户端与服务器进入ESTABLISHED状态。应答信息是：ACK=1，Sequence=x+1，ack=y+1。

此时，A会告诉自己上层连接建立；B收到连接信息后告诉上层连接建立。

三次握手过程，借用网上的一张图进行说明。

这样就完成了TCP三次握手过程，相当于TCP的连接建立完成可以开始传输数据了。

问题一：为什么是三次握手？

答：本质上是因为TCP是全双工，为了保证传输的可靠性，需要给每次传输的数据段添加序号，那么初始的序号就是TCP三次握手真正的意义所在。

理解：在一次网络传输过程中，C端发送给S端的数据包可能会被分割成多段，每一段都有一个序号，发送给S端的数据包并无法确保先发送的先收到后发送的后收到，所以每段数据都会有一个序号。S端收到数据后也并不是每收一个就立马返回给C端。在S端有一个队列缓冲区，等到所有数据全收到后，S端会先进性一个排序，然后再将数据返回给C端。故此，三次握手它做的事情就是交换TCP通信的属实序号。至于为什么是三次握手，这里用通俗的话解释就是为了确保通信的可靠性。首先第一次，C端发送序号给S端是告诉S端我发送的序号是啥啥啥，你别搞错了。第二次S端将收到的数据排序打包后再生成一个新的序号告诉C端，我给你返回的数据是啥啥啥，你别搞错了。第三次是C端告诉S端我收到你给我的回应了，内容是啥啥啥。

至此，TCP的三次握手过程就完成了。

4. TCP的四次挥手

TCP释放连接需要四次挥手的过程，该过程可以是客户端或者服务端首先发起断开连接的请求。现在假设A主动释放连接（数据传输结束后，通信的双方都可以释放连接）

第一次挥手：A发送释放信息给B。发出去之后，A->B发送数据这条路就断了。此时A（客户端）就进入了FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。

第二次挥手：B收到释放信息后，回复确认释放的信息。服务端同意客户端的释放连接请求。此时服务器进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。在此之后（客户端收到服务器的确认请求），此时客户端就进入了FIN-WAIT-2（终止等待2）状态。等待服务器发送连接释放报文。

第三次挥手：B发送请求释放连接信息给A。此时是服务器向客户端发送连接释放报文。此时服务器进入了LASK-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。

第四次挥手：A收到服务器B发出的释放连接信息后，向B发出确认释放信息。B收到确认信息后就会正式关闭连接。此时，客户端进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。此时TCP连接还没有释放，必须经过2*SML时间段后，客户端才会进入CLOSED状态。

该过程用图表示可能会更清楚一些。

至此，TCP的四次挥手也就学习完了。上面描述了为什么需要三次握手，至此是否会有疑问，为什么握手需要三次，而挥手却需要四次呢？现在我们来看一下这个问题。

我们知道，TCP是全双工的（即，客户端和服务端可以相互发送和接收请求），所以需要双方都确认关闭连接。基于此，我们更详细的分析其中的道理。通信双方都可以独立关闭自己的通信通道，也就是办关闭。客户端先发送FIN告知服务端我已经完成数据发送了，服务端发送ack来告知客户端它已知晓此事。这样的一个流程下来，就关闭了客户端的发送信息通道，但是还是可以接受来自服务端的数据的。此时的服务端已经不能接收来自客户端的数据了，但是它还是可以给客户端发送数据。如果服务端也没有数据要发送给客户端了，服务端也会以一个FIN标志位发送一个释放连接的信息给客户端，客户端收到后会发送一个ack确认信息表示已经知晓。这样就关闭了服务端的发送信息通道和客户端的接收信息通道。