【底层服务/编程功底系列】「网络通信体系」深入探索和分析TCP协议的运输连接管理的核心原理和技术要点

TCP的运输连接管理

TCP是一种面向连接的协议，包含连接建立、数据传送和连接释放三个阶段。运输连接的管理确保连接的建立和释放能够正常进行。

在TCP连接建立过程中，需要解决以下三个问题：

1. 确认对方的存在：通过三次握手确保双方能够确认对方的存在。
2. 参数协商：在连接建立过程中，双方协商一些参数，如最大窗口值、窗口扩大选项、时间戳选项和服务质量等。
3. 资源分配：建立传输控制块（TCB）来分配运输实体资源，如缓存大小和连接表中的项目。

TCP连接采用客户-服务器模式，客户端主动发起连接建立，服务器被动等待连接。

TCP三次握手

建立TCP连接时，首先服务器处于被动打开的listen状态，等待客户端的连接请求。客户端启动后向服务器发送一个SYN报文，该报文中的SYN标志表示请求建立连接。服务器收到SYN报文后，会发送一个SYN+ACK报文作为响应，表示接受连接请求，并确认客户端的SYN报文。然后，客户端再向服务器发送一个ACK报文，确认服务器的SYN+ACK报文。

三次握手流程分析

1. 建立TCP需要三次握手才能建立，在TCP连接的建立过程中，SYN用于建立连接的握手过程。当客户端想要与服务器建立TCP连接时，它会发送一个带有SYN标志的TCP报文段，这个报文段被称为SYN包或SYN段。这个SYN包中的序列号（Sequence Number）用于初始化连接的序列号。

2. 服务器收到客户端发送的SYN包后，会发送一个带有SYN和ACK（Acknowledgment）标志的TCP报文段作为响应，这个报文段被称为SYN-ACK包。服务器的SYN-ACK包中的序列号是服务器随机生成的，而确认号（Acknowledgment Number）是客户端发送的SYN包的序列号加1。

3. 客户端收到服务器发送的SYN-ACK包后，会发送一个带有ACK标志的TCP报文段作为确认，这个报文段被称为ACK包。客户端的ACK包中的确认号是服务器发送的SYN-ACK包的序列号加1。
   
   最后，通过这个三次握手的过程，客户端和服务器成功建立了TCP连接，并可以开始进行数据传输。在连接建立后，双方可以相互发送数据。

注意要点

注意，这个过程中的报文交换是为了确保双方都能够确认对方的存在，并同步初始序列号。通过这种方式，TCP连接的建立可以保证可靠性和数据的完整性。但在实际应用中，还需要考虑网络延迟、超时处理和其他异常情况的处理，以确保连接的稳定性和可靠性。

TCP四次挥手

通信的双方都可以释放连接，主动释放连接的一方等待2MSL,所以为了减轻服务器般是客户端主动释放。断开连接则需要四次握手。整个过程如下图所示：

• 当客户端不再发送数据给服务器时，它可以发送一个FIN报文给服务器，表示关闭连接。

• 服务器收到FIN报文后，会发送一个ACK报文作为确认，表示已经收到了客户端的FIN报文。此时，客户端不能再向服务器发送数据，但服务器仍然可以向客户端发送数据。

• 当服务器发送完数据后，会发送一个FIN报文给客户端，告知客户端已经发送完数据。

• 客户端收到FIN报文后，会发送一个ACK报文作为确认。接下来，客户端会等待一段时间，即2倍的最长报文段寿命（2MSL），这是为了确保服务器收到了ACK报文。

注意，2MSL时间的等待是为了处理可能丢失的确认报文，以确保连接的可靠关闭。这个时间段的长度是根据TCP协议的规定来确定的。

MSL（Maximum Segment Lifetime）即最长报文段寿命，RFC建议为2分钟，具体实现时可以使用更小的值。

TCP之保活计时器（keepalive timer）

当客户端发生故障时，服务器采取相应的措施来关闭连接，以避免无限期地等待。这样可以提高服务器的资源利用率，并确保连接的正常关闭，这个时候就要用到保活计时器（keepalive timer）。

保活计时器（keepalive timer）的执行流程

服务器在每次收到客户端的数据时，重新设置保活计时器。通常，保活计时器的时间设置为两小时。如果在两小时内没有收到客户端的数据，服务器会采取进一步的措施。

• 探测报文段：如果保活计时器超时，服务器会发送一个探测报文段给客户端。之后，服务器会每隔75秒发送一次探测报文段。这些探测报文段用于检测客户端是否仍然可用。

• 连续探测：如果服务器连续发送了10个探测报文段后仍然没有收到客户端的响应，服务器会认为客户端发生故障，并关闭连接。

• 客户端复位：如果客户端重新启动并收到了服务器发送的探测报文段，客户端可以发送一个复位信息给服务器，以通知服务器关闭连接。

常见问题沟通分析

服务器端能不能主动断开连接？

服务器端可以主动断开连接，在主动断开连接之后，服务器端需要等待一段时间，即2倍的最长报文段寿命（2MSL）。这是为了确保连接的正常关闭，并防止可能丢失的报文段导致的连接问题。在这段等待时间内，服务器端的内核会保持连接的资源，这可能对服务器的资源利用率造成一定的影响。因此，在主动断开连接时，需要权衡服务器资源的利用和连接的正常关闭。

断开连接后需要做哪些处理工作？

在断开连接后，需要进行以下处理工作来回收资源：

• 关闭Socket：断开连接后，需要关闭相关的Socket连接，释放与该连接相关的网络资源。这包括关闭输入输出流、释放套接字等。

• 释放内存：如果在连接过程中分配了内存资源，例如缓冲区或临时变量，需要及时释放这些内存资源，以避免内存泄漏和资源浪费。

• 释放端口号：如果连接使用了特定的端口号，断开连接后需要释放该端口号，以便其他连接可以使用该端口。

TCP中的长连接和短连接是什么?

短连接

短连接是指在通信双方有数据交互时，建立一个TCP连接进行数据传输，数据发送完成后立即断开此TCP连接。一般银行、HTTP服务器等应用场景使用短连接。短连接通常是一对多的关系，即每次通信都需要建立新的连接。

短连接的操作步骤通常是：建立连接、数据传输、关闭连接。

长连接

长连接是指在一个TCP连接上可以连续发送多个数据包，在TCP连接保持期间，如果没有数据包发送，双方会发送检测包以维持此连接。长连接常见于P2P通信、数据库连接等场景。

长连接的操作步骤通常是：建立连接、数据传输、保持连接（发送心跳包）、数据传输、保持连接（发送心跳包）…直到不再需要连接时关闭连接。

KeepAlive在http中的含义（不同于TCP）

在TCP连接中，已经在上面的【TCP之保活计时器（keepalive timer）】的内容中，全面介绍过了，主要的目的是为了帮助检测连接，释放一些宕机或者出现问题的客户端服务。

Http中的KeepAlive

HTTP中的Keep-Alive（持久连接）的意义在于优化网络通信的效率。在过去，每个HTTP请求都需要建立一次连接，这意味着每个连接只能传输一个HTTP请求和响应。为了提高效率，可以在HTTP头域中增加Connection选项。

通过设置Connection选项为"keep-alive"，表示开启持久连接。这样，在建立连接后，可以在同一连接上传输多个HTTP请求和响应。这避免了每次请求都需要重新建立连接的开销，提高了网络通信的效率。

总之通过使用持久连接（Keep-Alive），可以减少连接建立的开销，提高网络通信的效率和性能。这对于提升Web应用的响应速度和用户体验非常重要。