TCP协议入门

TCP协议入门

HTTP协议与TCP协议

TCP协议对应于传输层，HTTP协议对应于应用层，所以TCP协议比HTTP协议在网络模型上低一层。

TCP报文首部

1. 源端口与目的端口：各占2个字节，分别写入源端口和目的端口；
2. 序列号seq：占4个字节，TCP连接中传送的字节流中的每个字节都按照顺序编号。例如：一段报文的字段值是301，而携带的数据有100个字段，显然县一个报文段（如果还有）的数据序号应该加100个字段，从401开始；
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501，而数据长度是200字节，这表明B正确的收到了A发送的到序号700为止的数据**。因此，B期望收到A的下一个数据序号是701，于是B在发送给A的确认报文段中把确认号设置为701；（要注意ACK和ack是不同的）
4. 数据偏移：占4位，它指出TCP报文的数据距离TCP报文段的起始处有多远；
5. 保留：占6位，保留今后使用，但目前应都是0；
6. 紧急URG：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；
7. 确认ACK：仅当ACK=1时，确认号字段才有效。TCP规定，在连接建立后所有报文的传输都必须把ACK设置为1；
8. 推送PSH：当两个应该用进程进行交互式通信时，有时在一端的应用希望在键入一个命令后立即就能收到对方的响应，这时候就将PSH设置为1；
9. 复位RST：当RST=1时，表示TCP连接中出现严重差错，必须释放连接然后在重新建立连接；
10. 同步SYN：在建立连接时用来同步序号。当SYN=1，ACK=0时，表示是连接请求报文，若同意连接，则响应报文中应该传输SYN=1，ACK=1；
11. 终止FIN：用来释放连接。当FIN=1，表明此报文发送方的数据已发送完毕并且要求释放连接。
12. 窗口：占2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；
13. 检验和：占2字节，校验首部和数据这两部分；
14. 紧急指针：占2字节，指出本报文段中的紧急数据的字节数；
15. 选项：长度可变，定义一些其他的可选的参数；

TCP连接的建立（三次握手）

最开始的时候，客户端和服务器都是处于CLOSED状态。主动建立连接的为客户端，被动打开连接的是服务器。

1. TCP服务器进程先创建传输控制块TCB，时刻准备接受客户进程的链接请求，此时服务器就进入了LISTEN（监听）状态；
2. TCP客户进程也是先创建传输控制块TCB，然后向服务器发出请求报文，这时候报文首部中的同步位SYN=1，同时选择一个初始序列号seq=x，此时，TCP客户端进程进入SYN-SENT（同步已发送）状态。TCP协议规定，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。
3. TCP服务器收到请求报文后，如果同意连接，则发出确认报文。确认报文中ACK=1，SYN=1，确认号ACK=x+1，同时也要为自己初始化一个序列号seq=y，此时，TCP服务器进程进入SYN-RCVD（同步收到）状态。TCP协议规定，这个报文也不能携带数据，需要消耗掉一个序号。
4. TCP客户进程收到确认报文后，还要向服务器给出确认报文。确认报文的ACK=1，SYN=y+1，自己的序列号seq=x+1。此时，TCP连接建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。TCP协议规定，ACK报文段可以携带数据，如果不携带数据则不消耗序号。
5. 当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态，此后双方就可以开始通信，TCP连接建立成功。

为什么TCP客户端最后还要发送一次确认呢？

• 防止已经失效的链接请求报文突然又送到了服务器，从而产生错误。
• 如果使用两次握手建立连接，假设有这样一种场景：客户端发送了第一个请求连接并且没有丢失，只是因为在网络节点中滞留的时间太长了，由于TCP的客户端迟迟没有收到报文，以为服务器没有收到，此时重新向服务器发送这条报文，此后客户端和服务器经过两次握手完成连接，传输数据然后关闭连接。此时，之前滞留的那一次请求连接，因为网络通畅了到达了服务器，这个报文本该是失效的，但两次握手机制将会让客户端和服务器再次建立连接，这将导致不必要的错误和资源浪费。
• 如果采用的是三次握手，就算是那一次的失效报文传送过来，服务器端接收到了那条失效报文并且回复了确认报文，但客户端不会再次发出确认。由于服务器收不到客户端发来的确认报文，服务器端就能知道客户端并没有请求连接。

TCP连接的释放（四次挥手）

数据传输完毕后，双方都可释放连接。最开始的时候，客户端和服务器都是处于ESTABLISHED状态，然后客户端主动关闭，服务器端被动关闭。

1. 客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。连接释放报文首部FIN=1，序列号seq=u（等于前面已经传送过来的数据最后一个字节序号加1）。此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。TCP协议规定，FIN报文段即使不携带数据也要消耗一个序号。
2. 服务器接收到连接释放报文，发出确认报文ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v。此时服务器进入CLOSE_WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器方向的连接就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送但服务器端若发送数据，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（全关闭状态前还需要接收服务器发送最后的数据）。
4. 服务器将最后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，seq=w（由于在半关闭状态时服务器可能又发送了一些数据，假定此时序列号为w）。由此服务器进入LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认报文。
5. 客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认报文ACK=1，ack=w+1，序列号seq=u+1。此时客户端进入TIME-WAIT（时间等待状态）。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2*MSL（最长报文寿命）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。

为什么客户端最后还要等待2MSL？

• MSL（Maximum Segment Lifetime）：TCP协议允许不同的实现可以设置不同的MSL值。
• 第一，保证客户端发送的最后一个ACK报文能够到达服务器，因为这个ACK报文可能丢失，站在服务器角度看来，我已经发送了FIN+ACK报文且请求断开了。但是客户端还没有给我回应，可能是我发送的请求断开报文没有被客户端收到，于是服务器会再发送一次FIN+ACK报文请求断开连接。而客户端就能在这个2MSL时间段内收到这个重传的报文，接着给出回应报文，并且重启2MSL计时器。
• 第二，防止类似于"三次握手"中提到了的"已经失效的连接请求报文段"出现在本连接中。客户端发完最后一个确认报文后，在这个2MSL时间中，就可以等到本连接持续时间所产生的所有报文段都从网络中消失。这样新的连接中就不会出现旧连接的请求报文。

为什么建立连接时三次握手，关闭连接是四次挥手呢？

• 建立连接的时候，服务器在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发给客户端。
• 而关闭连接时，服务器收到客户端的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，而服务器端也未必把全部的数据都发送给客户端了，所以服务器端可以立即关闭，也可以发送一些数据给客户端后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接。因此，服务器端ACK和FIN会分开发送，从而导致多了一次报文发送。

如果已经建立了连接，但客户端突然出故障了怎么办？

• TCP协议还规定了一个保活计时器。显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直白等下去浪费资源。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，计时器的存货时间通常是设置为2小时，若2小时没有收到客户端的任何数据，服务器端就会给客户端发送一个探测字段，然后每隔75秒再发送一次。若一连发送10个探测报文仍没有任何反应，服务器就认为客户端除了故障，接着就关闭连接。

大写ACK与小写ack的关系

• 大写ACK（Acknowledgement）是标识位，可通过它标识报文性质：[ACK] or [SYC] or [FIN]
• 小写的ack（Acknowledgement Number）是确认号，即收到seq=x这样的报文后，回复ack=x+1的确认号。

参考资料

1. 两张动图-彻底明白TCP的三次握手与四次挥手_qzcsu的博客-CSDN博客_三次握手四次挥手详解