TCP协议

TCP协议的特性

• 顺序问题 ，稳重不乱；
• 丢包问题，承诺靠谱；
• 连接维护，有始有终；
• 流量控制，把握分寸；
• 拥塞控制，知进知退；

TCP 包头格式

TCP 包头格式.jpg

包头内容如上图所示

• 源端口号和目标端口号，数据从哪来到哪去。
• 包的序号，解决包乱序问题
• 确认序号，发出去的包要有回复 要不然不知道包对方有没有收到，如果没有就会重新发送，直到到达。
• 状态位，日常分析有用的就五个字段 SYN, FIN, ACK, PSH, RST。TCP 是面向连接的 双方要维护连接的状态这些带状态的包的发送，会引起双方的状态变更。
• 窗口大小，TCP 要做流量控制，通信双方各声明一个窗口，标识当前能够处理能力。

状态位，日常分析有用的就五个字段

• SYN 表示建立连接
• FIN 表示关闭连接
• ACK 表示响应
• PSH 表示有DATA数据传输
• RST 表示连接重置

TCP 三次握手

TCP 的建立 我们常常称为三次握手。

TCP三次握手.png

双端状态值变化（状态机）

一开始，客户端和服务端都处于 CLOSED 状态。先是服务端主动监听某个端口，处于 LISTEN 状态。然后客户端主动发起连接 SYN，之后处于 SYN-SENT 状态。服务端收到发起的连接，返回 SYN，并且 ACK 客户端的 SYN，之后处于SYN-RCVD 状态（同步空闲字符接收到状态）客户端收到服务端发送的 SYN 和 ACK 之后，发送 ACK 的 ACK，之后处于 ESTABLISHED （已建立）状态，因为它一发一收成功了。服务端收到 ACK 的 ACK 之后，处于 ESTABLISHED 状态，因为它也一发一收了。

我们也常称为“请求 -> 应答 -> 应答之应答”的三个回合。这个看起来简单，其实里面还是有很多的学问，很多的细节。为什么要三次？而不是两次？两个端一来一回不就可以了？为了可靠，为什么不四次？

• 当A要发起一个连接，到达了B B收到了请求包，知道了A 的存在 并且知道 A要和它建立连接 于是B就发了一个连接给A 这个应答包一入网络深似海，不知道能不能到达A。这个时候B自然不能认为连接是建立好的。因为应答包仍然会丢，会绕弯路，或者 A 已经挂了都有可能。A 建立连接的时候，请求包重复发了几次，有的请求包绕了一大圈又回来了，B 会认为这也是一个正常的的请求的话，因此建立了连接，可以想象，这个连接不会进行下去，也没有个终结的时候，纯属单相思了。因而两次握手肯定不行。
• B 发送的应答可能会发送多次，但是只要一次到达 A，A 就认为连接已经建立了，因为对于 A 来讲，他的消息有去有回。A 会给 B 发送应答之应答，而 B 也在等这个消息，才能确认连接的建立，只有等到了这个消息，对于 B 来讲，才算它的消息有去有回。当然 A 发给 B 的应答之应答也会丢，也会绕路，甚至 B 挂了。按理来说，还应该有个应答之应答之应答，这样下去就没底了。所以四次握手是可以的，四十次都可以，关键四百次也不能保证就真的可靠了。只要双方的消息都有去有回，就基本可以了。

三次握手除了双方建立连接外，主要还是为了沟通一件事情，就是 TCP 包的序号的问题。

• A 要告诉 B，我这面发起的包的序号起始是从哪个号开始的，B 同样也要告诉 A，B 发起的包的序号起始是从哪个号开始的。
• 这个序号的起始序号是随着时间变化的，可以看成一个 32 位的计数器，每 4ms 加一，如果计算一下，如果到重复，需要 4 个多小时，那个绕路的包早就死翘翘了，因为我们都知道 IP 包头里面有个 TTL，也即生存时间。

TCP 四次挥手

TCP 四次挥手.png

双端状态值变化（状态机）

断开的时候，我们可以看到，当 A 说“不玩了”，就进入 FIN_WAIT_1 的状态，B 收到“A 不玩”的消息后，发送知道了，就进入 CLOSE_WAIT 的状态。
A 收到“B 说知道了”，就进入 FIN_WAIT_2 的状态，如果这个时候 B 直接跑路，则 A 将永远在这个状态。TCP 协议里面并没有对这个状态的处理，但是 Linux 有，可以调整 tcp_fin_timeout 这个参数，设置一个超时时间。
如果 B 没有跑路，发送了“B 也不玩了”的请求到达 A 时，A 发送“知道 B 也不玩了”的 ACK 后，从 FIN_WAIT_2 状态结束，按说 A 可以跑路了，但是最后的这个 ACK 万一 B 收不到呢？则 B 会重新发一个“B 不玩了”，这个时候 A 已经跑路了的话，B 就再也收不到 ACK 了，因而 TCP 协议要求 A 最后等待一段时间 TIME_WAIT，这个时间要足够长，长到如果 B 没收到 ACK 的话，“B 说不玩了”会重发的，A 会重新发一个 ACK 并且足够时间到达 B。
A 直接跑路还有一个问题是，A 的端口就直接空出来了，但是 B 不知道，B 原来发过的很多包很可能还在路上，如果 A 的端口被一个新的应用占用了，这个新的应用会收到上个连接中 B 发过来的包，虽然序列号是重新生成的，但是这里要上一个双保险，防止产生混乱，因而也需要等足够长的时间，等到原来 B 发送的所有的包都死翘翘，再空出端口来。

等待的时间设为 2MSL，MSL 是 Maximum Segment Lifetime，报文最大生存时间，它是任何报文在网络上存在的最长时间，超过这个时间报文将被丢弃。因为 TCP 报文基于是 IP 协议的，而 IP 头中有一个 TTL 域，是 IP 数据报可以经过的最大路由数，每经过一个处理他的路由器此值就减 1，当此值为 0 则数据报将被丢弃，同时发送 ICMP 报文通知源主机。协议规定 MSL 为 2 分钟，实际应用中常用的是 30 秒，1 分钟和 2 分钟等。

TCP 状态机

TCP 状态机.jpg