TCP

ode提供了net、dgram、http、https这4个模块，分别处理TCP、UDP、HTTP、HTTPS，适用于服务器端和客户端

TCP全名为传输控制协议，在OSI模型（由七层组成，分别为物理层、数据链结层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层）中属于传输层协议，许多应用层协议基于TCP构建，典型的是HTTP、SMTP、IMAP等协议。

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以下内容大部分转载：
TCP的三次握手与四次挥手理解及面试题
参考：
TCP的三次握手与四次挥手（详解+动图）、
TCP-TCP首部、
TCP头部分析与确认号的理解
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TCP把连接作为最基本的对象，每一条TCP连接都有两个端点，这种端点我们叫作套接字（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192.0.0.16 而端口号为80，那么得到的套接字为192.0.0.16:80。

TCP连接 = {socket1, socket2} = {(IP1: port1), (IP2: port2)}

TCP首部

tcp.png

TCP首部有20个字节的固定数据，用来存放报文传输过程所需的信息。

1、源端口和目的端口各占2个字节

2、序列号seq：占4个字节，用来标记数据段的顺序，TCP把连接中发送的所有数据字节都编上一个序号，第一个字节的编号就是序列号，由本地随机产生。例如，一段报文的序列号字段值是 301 ，而携带的数据共有100字节，显然下一个报文段（如果还有的话）的数据序号应该从401开始；由于序列号占4个字节，32位，所以能表达的数字范围为[0, 2^32-1 ] (无符号位)，4294967296个序号，序号增加到最大值的时候，下一个序号又回到了 0.也就是说 TCP 协议可对 约4GB 的数据进行编号，在一般情况下可保证当序号重复使用时，旧序号的数据早已经通过网络到达终点或者丢失了。

3、确认号ack：占4个字节，是期望收到对方下一个报文的第一个数据字节的序号。例如，B收到了A发送过来的报文，其序列号字段是301，而数据长度是100字节，这表明B正确的收到了A发送的到序号400为止的数据。因此，B期望收到A的下一个数据序号是401，于是B在发送给A的确认报文段中把确认号置为401。TCP 的可靠性，是建立在「每一个数据报文都需要确认收到」的基础之上的。就是说，通讯的任何一方在收到对方的一个报文之后，都要发送一个相对应的「确认报文」，来表达确认收到。

4、数据偏移：占4位，以4字节为单位，表示报文中除开有效数据段，代表报文首部的长度，4位所能表达的二进制为0000-1111，代表数字0~15，每一位代表4个字节，又因为TCP首部固定有20个字节的，所以数据偏移的范围为0101 (5 * 4b = 20b) - 1111 (15 * 4b = 60b)，所以报文首部长度的范围为20字节~60字节。

5、保留位：占6位，目前置为0，为今后预留

6、控制位，占6位，共代表6种状态。当为1时表明状态有效。

• URG：紧急，当URG=1，表明紧急指针字段有效。告诉系统此报文段中有紧急数据；TCP就将紧急数据放到数据区的最前面，紧跟其后是普通数据。
• ACK：确认，当ACK=1时，代表确认号ack字段有效。ACK=0时，确认号无效，TCP规定，在连接建立后所有报文的传输都必须把ACK置1
• PSH：推送，当PSH=1时，发送方会立即创建一个报文段发送出去；接收方接收到PSH字段为1的值时，会立即将该报文中的数据交付接收应用程序，不用等到整个缓存填满了后再向上交付
• RST：复位，当RST=1，表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立连接；
• SYN：连接建立时用于同步序号。当SYN=1，ACK=0时表示：这是一个连接请求报文段。若同意连接，则在响应报文段中使得SYN=1，ACK=1。因此，SYN=1表示这是一个连接请求，或连接接受报文。SYN这个标志位只有在TCP建立连接时才会被置1，握手完成后SYN标志位被置0。
• FIN：终止，当FIN=1，表明此报文的发送方的数据已经发送完毕，并且要求释放；

7、窗口：占2个字节，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；也就是TCP的标准窗口最大为2^16 - 1 = 65535个字节

8、检验和，占2字节，校验首部和数据这两部分；源机器基于数据内容计算一个数值，收信息机要与源机器数值 结果完全一样，从而证明数据的有效性。检验和覆盖了整个的TCP报文段：这是一个强制性的字段，一定是由发送端计算和存储，并由接收端进行验证的。

9、紧急指针，占2字节，在URG=1时，表示紧急数据的长度，指出了紧急数据的末尾在报文段的位置。

10、选项与填充（必须为4字节整数倍，不够补0），长度可变，不包含在固定首部之中，定义一些其他的可选的参数，最常见的可选字段的最长报文大小MSS（Maximum Segment Size），每个连接方通常都在一个报文段中指明这个选项。它指明本端所能接收的最大长度的报文段。该选项如果不设置，默认为536（20+20+536=576字节的IP数据报）

三次握手:建立连接

connect.png

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。

第一次握手：建立连接时，客户端发送SYN包（此时控制位SYN为1，代表连接请求，seq=x，序列号）到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认；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，因此第二次握手中ack确认号为x+1。

第二次握手：服务器收到SYN包，如果同意连接，则发出确认报文。确认报文中应该 ACK=1，SYN=1，确认号是ack=x+1，同时也要为自己初始化一个序列号 seq=y，即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；这个报文也不能携带数据，但是同样要消耗一个序号。

第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，还要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1，ack=y+1，自己的序列号seq=x+1，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED（TCP连接成功）状态，完成三次握手。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。

四次挥手：关闭连接

close.png

1）客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u，此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。

2）服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。

3）客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。

4）服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，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。

5）客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，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。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。

6）服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

常见面试题

【问题1】为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手？

答：因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，"你发的FIN报文我收到了"。只有等到我Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。

【问题2】为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态？

答：虽然按道理，四个报文都发送完毕，我们可以直接进入CLOSE状态了，但是我们必须假象网络是不可靠的，有可能最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。在Client发送出最后的ACK回复，但该ACK可能丢失。Server如果没有收到ACK，将不断重复发送FIN片段。所以Client不能立即关闭，它必须确认Server接收到了该ACK。Client会在发送出ACK之后进入到TIME_WAIT状态。Client会设置一个计时器，等待2MSL的时间。如果在该时间内再次收到FIN，那么Client会重发ACK并再次等待2MSL。所谓的2MSL是两倍的MSL(Maximum Segment Lifetime)。MSL指一个片段在网络中最大的存活时间，2MSL就是一个发送和一个回复所需的最大时间。如果直到2MSL，Client都没有再次收到FIN，那么Client推断ACK已经被成功接收，则结束TCP连接。

【问题3】为什么不能用两次握手进行连接？

答：3次握手完成两个重要的功能，既要双方做好发送数据的准备工作(双方都知道彼此已准备好)，也要允许双方就初始序列号进行协商，这个序列号在握手过程中被发送和确认。

如果两次握手， 此时Client知道Server收到消息了， 但Server并不知道Client能收到消息

“已失效的连接请求报文段”的产生在这样一种情况下：Client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某个网络结点长时间的滞留了，以致延误到连接释放以后的某个时间才到达Server。本来这是一个早已失效的报文段。但Server收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是Client再次发出的一个新的连接请求。于是就向Client发出确认报文段，同意建立连接。假设不采用“三次握手”，那么只要Server发出确认，新的连接就建立了。由于现在Client并没有发出建立连接的请求，因此不会理睬Server的确认，也不会向Server发送ack包。但Server却以为新的运输连接已经建立，并一直等待Client发来数据。这样，Server的很多资源就白白浪费掉了。采用“三次握手”的办法可以防止上述现象发生。例如刚才那种情况，Client不会向Server的确认发出确认。Server由于收不到确认，就知道Client并没有要求建立连接。

【问题4】如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？

TCP还设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器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，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。