TCP协议及三次握手与四次挥手（图解）

TCP协议

TCP(Transmission Control Protocol)传输控制协议，相对于UDP，TCP是面向连接的、提供可靠的数据传输服务。同时也 是较UDP开销较大的、传输速度较慢的。
TCP提供可靠的、面向连接的数据传输服务。使用TCP通信之前，需要进行三次握手建立连接，通信结束后还要使用四次挥手断开连接。
TCP是点对点的连接。一条TCP连接只能连接两个端点。 TCP提供可靠传输，无差错、不丢失、不重复、按顺序。
TCP提供全双工通信，允许通信双方任何时候都能发送数据，发送方设有发送缓存，接收方设有接收缓存。
TCP面向字节流 。TCP 并不知道所传输的数据的含义，仅把数据看作一连串的字节序列，它也不保证接收方收到的数据块 和发送方发出的数据块具有大小对应关系。（例如：打电话，双方有回应）

TCP报文结构

TCP是面向字节流的，通过 TCP 传送的字节流中的每个字节都按顺序编号，而报头中的Sequence Number字段值则指的是本报文段数据的第一个字节的序号。Acknowledgment Number是期望收到对方下个报文段的第一个数据字节的序号。

Offset：占4位，指 TCP 报文段的报头长度，包括固定的20字节和TCP Options字段。
Reserved：占6位，保留为今后使用，目前为0。
TCP flags的C、E、U、A、P、R、S、F字段用来说明该报文的性质。意义如下：
C(CWR)和E(ECE)用来支持ECN(显示阻塞通告)。
U(URGENT)：当URG=1时，它告诉系统此报文中有紧急数据，应优先传送(比如紧急关闭)，这要与紧急指针字段

A(ACK)：仅当ACK=1时确认号字段才有效。建立TCP连接后，所有报文段都必须把ACK字段置为1。
P(PUSH)：若TCP连接的一端希望另一端立即响应，PSH字段便可以“催促”对方，不再等到缓存区填满才发送。
R(RESET)：若 TCP 连接出现严重差错，RST置为1，断开TCP 连接，再重新建立连接。
S(SYN)：用于建立和释放连接，当SYN=1时，表示建立连接。
F(FIN)：用于释放连接，当FIN=1，表明发送方已经发送完毕，要求释放TCP连接。
Window：占2个字节。窗口值是指发送者自己的接收窗口大小，因为接收缓存的空间有限。
CheckSum：占2个字节。和UDP报文一样，有一个检验和，用于检查报文是否在传输过程中出差错。
Urgent Pointer：占2字节。当URG=1时才有效，指出本报文段紧急数据的字节数。

TCP建立连接的三次握手

其具体步骤如下：

1. Client首先向Server发送连接请求报文段，同步自己的seq(x)，Client进入SYN_SENT状态。
2. Server收到Client的连接请求报文段，返回给Client自己的seq(y)以及ack(x+1)，Server进入SYN_REVD状态。
3. Client收到Server的返回确认，再次向服务器发送确认报文段ack(y+1)，这个报文段已经可以携带数据了。Client进 入ESTABLISHED状态。
4. Server再次收到Client的确认信息后，进入ESTABLISHED状态。

TCP连接至此建立起来了。为什么要做三次握手呢？握手的过程实际上是在通知对方自己的初始化序号(Initial Sequence Number)，简称ISN，也就是上图中的x和y。x和y会被当作之后传输数据的一个依据，以保证TCP报文在传输过程中不会混乱。
我们回到TCP Header结构来看，Sequence Number和Acknowledgment Number都是占32位，所以seq和ack的取值范 围是0 ～ 2³²-1。seq和ack每增加到2³²-1，则重新从0开始。值得一提的是，seq的初始值(ISN)并不是每次都从0开始的。我们设想一下，如果是从0开始，那么当TCP三次握手建立连接完成后，Client发送了30个报文，然后Client断线了。于是Client 重连，再次用0作为初始的seq，这样就会出现两个报文具有相同的seq，就出现了混乱。事实上TCP的做法是每隔4微秒就对ISN做一次加1操作，当ISN到达2³²-1后再次从0开始的时候，已经过去了几个小时，之前的seq=0的报文已经不存在于这次连接中了，这样就避免了上面的问题。

TCP断开连接的四次挥手

其具体步骤如下：

1. Client向Server发送断开连接请求的报文段，seq=m(m为Client最后一次向Server发送报文段的最后一个字节序号加1)， Client进入FIN-WAIT-1状态。
2. Server收到断开报文段后，向Client发送确认报文段，seq=n(n为Server最后一次向Client发送报文段的最后一个字节序号加1)，ack=m+1，Server进入CLOSE-WAIT状态。此时这个TCP连接处于半开半闭状态，Server发送数据的话，Client仍然可以接收到。
3. Server向Client发送断开确认报文段，seq=u(u为半开半闭状态下Server最后一次向Client发送报文段的最后一个字节序号加1)，ack=m+1，Server进入LAST-ACK状态。
4. Client收到Server的断开确认报文段后，向Server发送确认断开报文，seq=m+1，ack=u+1，Client进入TIME-WAIT状态。
5. Server收到Client的确认断开报文，进入CLOSED状态，断开了TCP连接。
6. Client在TIME-WAIT状态等待一段时间(时间为2*MSL(Maximum Segment Life)，确认Client向Server发送的最后一次断开确认到达(如果没有到达，Server会重发步骤(3)中的断开确认报文段给Client，告诉Client你的最后一次确认断开没有收到)。如果Client在TIME-WAIT过程中没有再次收到Server的报文段，就进入CLOSES状态。TCP连接至此断开。

需要注意：TCP报文传输采用接受后返回确认的方式来保证报文传输的可靠性，并不是意味着发送方在发送一个报文段后就进入等待确认状态，让后面的报文段等着。也不是接收方在接收到一个报文后，对每一个报文都进行回复确认。
真实的情况是，对于发送方，在发送一个报文段后，复制一份该报文段的副本，然后继续进行下一个报文段的发送，如果没有得到发送方的回复确认，就对该报文段进行超时重发。对于接收方来说，则采用积累确认的方式进行回复。接收者收到多个连续的报文段后，只回复确认最后一个报文段，表示在这之前的数据都已收到。以此达到提升传输效率的目的。