TCP/IP

TCP/IP

TCP/IP 意味着 TCP 和 IP 在一起协同工作。

TCP 负责应用软件（比如你的浏览器）和网络软件之间的通信。

IP 负责计算机之间的通信。

TCP 负责将数据分割并装入 IP 包，然后在它们到达的时候重新组合它们。

IP 负责将包发送至接受者。

TCP传输控制协议是面向连接的可靠的传输层协议，在进行数据传输之前，需要在传输数据的两端（客户端和服务器端）创建一个连接，这个连接由一对插口地址唯一标识，即是在IP报文首部的源IP地址、目的IP地址，以及TCP数据报首部的源端口地址和目的端口地址。TCP首部结构如下：

注意：通常情况下，一个正常的TCP连接，都会有三个阶段:1、TCP三次握手;2、数据传送;3、TCP四次挥手

其中在TCP连接和断开连接过程中的关键部分如下：

源端口号：即发送方的端口号，在TCP连接过程中，对于客户端，端口号往往由内核分配，无需进程指定；

目的端口号：即发送目的的端口号；

序号：由发送端生成，接收端使用；当SYN标志位1，这个序号在发送端随机生成，并且发送端在接着收到的报文中，截取到的确认序号=序号+1

确认序号：在收到对方发来的数据报，当ACK标志为1，这个序号生效。这个确认序号要 跟 期待收到的序号 一致，才能整体消息生效；

4位数据偏移：4位包括TCP头大小，指示数据从何处开始。

保留（6位）：位0，为了将来定义新的用途而保留。

标志：6位标志域。表示为：紧急标志、有意义的应答标志、推、重置连接标志、同步序列号标志、完成发送数据标志。

　　　　按照顺序排列是：URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN。对应的位的数值为 “1” ，表示该标志有效。

　　　　URG：紧急标志。紧急标志位为"1"表明该位有效。

　　　　ACK：Acknowledgement Number，确认标志。表明 确认序号 那一栏的数据有效。大多数情况下该标志位是置位的（为 1）。

　　　　　　　　TCP报头内的确认编号栏内包含的确认编号（w+1）为下一个预期的序列编号，同时提示远端系统已经成功接收所有数据。

　　　　SYN：同步序号标志，Synchronize Sequence Numbers；表明同步序列编号栏有效（就是 序号 那一栏）。

　　　　　　　　该标志仅在三次握手建立TCP连接时有效。

　　　　　　　　它提示TCP连接的服务端去检查序列编号，该序列编号为TCP连接初始端（一般是客户端）的初始序列编号。　　

　　　　PSH：传送数据标志。

　　　　FIN：结束标志，FINish；

　　　　RST=RESET，异常关闭连接。

16位窗口大小：用来表示想收到的每个TCP数据段的大小。TCP的流量控制由连接的每一端通过声明的窗口大小来提供。

　　　　　　　　窗口大小为字节数，起始于确认序号字段指明的值，这个值是接收端正期望接收的字节。窗口大小是一个16字节字段，因而窗口大小最大为65535字节。

16位校验和：16位TCP头。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。

16位紧急指针：指向后面是优先数据的字节，在URG标志设置了时才有效。如果URG标志没有被设置，紧急域作为填充。加快处理标示为紧急的数据段。

选项：长度不定，但长度必须大于1个字节。如果没有选项就表示这个1字节的域等于0。

数据：该TCP协议包负载的数据。

 　　　　　　　　　　　　　　　三次握手 、四次挥手

 

由于TCP连接时全双工的，因此，每个方向都必须要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭，上图描述的即是如此。

（1）第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN_WAIT_1状态。

（2）第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），Server进入CLOSE_WAIT状态。

（3）第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK状态。

（4）第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。

为什么建立连接是三次握手，而关闭连接却是四次挥手呢？

这是因为服务端在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时，当收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，己方也未必全部数据都发送给对方了，所以己方应该先响应对方的FIN报文，然后把剩下的数据发给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送。

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？

原因有二：
一、保证TCP协议的全双工连接能够可靠关闭
二、保证这次连接的重复数据段从网络中消失

先说第一点，如果Client直接CLOSED了，那么由于IP协议的不可靠性或者是其它网络原因，导致Server没有收到Client最后回复的ACK。那么Server就会在超时之后继续发送FIN，此时由于Client已经CLOSED了，就找不到与重发的FIN对应的连接，最后Server就会收到RST而不是ACK，Server就会以为是连接错误把问题报告给高层。这样的情况虽然不会造成数据丢失，但是却导致TCP协议不符合可靠连接的要求。所以，Client不是直接进入CLOSED，而是要保持TIME_WAIT，当再次收到FIN的时候，能够保证对方收到ACK，最后正确的关闭连接。

再说第二点，如果Client直接CLOSED，然后又再向Server发起一个新连接，我们不能保证这个新连接与刚关闭的连接的端口号是不同的。也就是说有可能新连接和老连接的端口号是相同的。一般来说不会发生什么问题，但是还是有特殊情况出现：假设新连接和已经关闭的老连接端口号是一样的，如果前一次连接的某些数据仍然滞留在网络中，这些延迟数据在建立新连接之后才到达Server，由于新连接和老连接的端口号是一样的，又因为TCP协议判断不同连接的依据是socket pair，于是，TCP协议就认为那个延迟的数据是属于新连接的，这样就和真正的新连接的数据包发生混淆了。所以TCP连接还要在TIME_WAIT状态等待2倍MSL，这样可以保证本次连接的所有数据都从网络中消失。