前言
TCP和UDP是今天应用传输最多的协议，拥有最核心的垄断地位，今天互联网的传输层几乎都是基于这两个协议打造的。无论是应用开发框架、设计选型、做底层的优化、还是定位线上问题，只要碰到网络肯定逃不开TCP协议的相关知识，在面试当中，TCP协议一直是一个高频的考察内容，外加TCP的关联知识比较多，因此面试也是五花八门。在介绍今天的主题之前，我先提一道高频面试题：TCP为什么握手是3次、挥手是4次？
TCP协议
TCP Transmission Control Protocol ,是一个传输层协议，提供Host-Host数据的可靠传输，支持全双工，是一个连接导向的协议。
这里面涉及到很多的概念，例如，Host to Host 主机到主机、连接、会话、双工/单工及可靠性等。
主机到主机（Host To Host）
提供的是Host To Host 传输，一台主机通过TCP发送数据给另一个主机。这里的主机Host实际上是一个抽象的概念，实际上是手机、平板、电脑等等都是Host，收发数据的其实都是主机Host，所以双方是平等的。
网络通信五层协议.png
TCP协议网上我们称之为应用到应用（Application To Application）的协议。为什么是应用到应用的协议呢？比如说你微信发消息给张三了，你的微信客户端，微信的聊天服务，其实他们都是应用，微信有自己的聊天协议，微信的聊天协议是应用到应用的协议。如果微信的聊天协议想要工作，那么就需要一个主机到主机的协议，帮助他实现通信，而TCP的上层有太多的应用，不仅仅有微信，还有元神啊，抖音啊，网易云音乐。因此TCP上层的应用层协议使用TCP的能力的时候，需要告知TCP是哪一个应用，这个就是端口号的设计，端口号用来区分应用，后面我们还会讨论。
TCP要实现主机到主机的通讯，就需要知道主机们的网络地址，也就是IP地址，但是TCP又不负责地址到地址（Address To Address）的传输，因此TCP协议是把IP地址去交给互联网层去处理。
互联网层也叫做网络层，提供的是地址到地址的通讯IP协议就是再这一层工作的。互联网层解决的是地址到地址的通讯，但是他不负责信号在两个设备之间的传递。因此互联网层又会调用下方的链路层在两个设备之间传递信息。当信号再两个设备间传递的时候，科学家又设计了一个物理层去封装最底层的物理设备，传输介质的由最下层的物理层提供最底层的传输能力。以上的传输架构我们称之为互联网协议群（TCP/IP协议群）。
总结一下：主机到主机（Host To Host）是为应用提供应用间通信的能力。
什么是连接和会话？
连接（Connection）是通讯双方的一个约定，目标是两个在通信的程序之间产生一个默契，包保证两个程序都在线，并且尽快的响应对方的请求，这个就是连接。
连接，一种传输数据的行为，传输之前，建立一个连接。数据收发双方的内存中都建立一个用于维护数据传输状态的对象，比如说双方的IP 和端口是多少？现在已经发送了多少数据？状态健康吗？传输速度如何？。所以，连接是网络行为状态的记录。
和连接关联的一个名称，叫做会话（Seesion）。会话是应用的行为，比如说张三和你聊天，张三是一个会话，当你开始打字，开始传输数据，你和微信服务器之间是建立的一个连接。如果你们聊一段时间，各自休息了，约定不要关闭微信，一个小时后再聊，那么你们连接是断开了，但是会话没有断开。因为聊天窗口没有关，所以会话还在。
有些系统当中，会话会自动重连（也就是重新创建连接），或者帮助创建连接。此外，会话也负责在多次连接中保存状态，比如HTTP Session在多次HTTP请求（连接）间保持状态。
总结一下：会话是应用层的概念，连接是传输层的概念。
双工/单工
双工/单工.png
在任何一个时刻，如果数据只能单项发送，就是单工。单工需要至少一条线路。
如果在某个时刻数据可以向一个方向传输，也可以向另一个方向反向传输，而且交替进行，我们称之为半双工，半双工也至少需要一条线路。
如果任何时刻数据都可以双向发送，就是全双工，全双工需要大于一条线路。
TCP是一个双工协议，数据任何时候可以双向传输，这就意味客户端和服务端是平等的在发送和接受信息。正因为如此，客户端和服务端在TCP协议中有一个平等的名称Host（主机）
什么是可靠性？
上文提到的TCP提供的是可靠性，那么可靠性是什么呢？可靠性是指数据保证无损传输。
如果发送方按照顺序发送，然后数据无序的在网络间传递，就必须有一种算法在接收方将数据恢复到原有的顺序。另外，如果发送方同时要把消息发送给多个接收方，这种情况称之为多播。可靠性要求每个接收方都无损的接收到相同的副本，多播情况还有强可靠性，就是一个消息，到达任何一个接收者，那么所有的接受者都必须收到这个消息，本专栏中，我们都是基于单播去讨论可靠性。
TCP的握手和挥手
TCP是一个连接导向的协议，设计有建立连接（握手）和断开连接（挥手）的过程。TCP没有涉及会话，因为会话通常是一个应用的行为。
TCP协议通常有这样的几个基本操作。
- 如果一个Host向另一个Host发起连接，我们称之为SYN（Synchronization），请求同步。
- 如果一个Host向另一个Host主动断开连接，称为FIN（Finish），表示请求完成。
- 如果一个Host给另一个Host发送数据，我们称为PSH（Push），数据推送。
以上三种情况，接收方收到数据之后，都需要给接收方发送一个ACK响应，请求响应模型是一个可靠性的要求。如果一个没有响应，发送方可能会认为自己需要重发这个请求。保持连接和可靠性约束，TCP要保证每一条发出的数据必须要给返回，返回的数据叫做ACK，也就是响应。按照这个思路，你可以看看建立连接是不是需要三次握手。
建立连接过程（三次握手）
三次握手过程.png
首先客户端要发送消息给服务端SYN，发一次同步请求。服务端准备之后就需要进行连接。服务端针对客户端的响应，需要给一个ACK，你可能会问，到这里不就可以了吗？两次握手就够了，但其实并不是，因为服务端还没有确定客户端是否准备好了。如果现在直接发送数据，客户端可能还没准备好去接受数据。因此还需要增加一个过程，服务端要向客户端发送一个SYN给客户端，客户端准备就绪之后，再给服务端一个ACK。你可能会问，这不是经过了六次吗，怎么是三次握手？实际上客户端给服务端的SYN是第一次握手，服务端准备不是数据传输，所以不算握手。服务端对客户端的ACK跟服务端给客户端发送的SYN是同时发生的，可以作为一条数据SYNACK传递给客户端，因此算一次握手。客户端的准备没有传输数据，也不算握手。客户端给服务端的ACK是第三次握手。
断开连接（四次挥手）
客户端发一个FIN到服务端，服务端接收到请求之后，马上给一个ACK。这里需要思考一个问题，可不可以马上回传一个FIN给客户端？不行，因为断开连接需要处理的事情比较多，比如说客户端已经发出，但是服务端还没有ACK的消息，或者服务端还有自己的资源没有释放，所以这里不能像握手那样操作，所以服务端会经过一段时间的等待，确定可以关闭了，再发一个FIN给到客户端，客户端接受到服务端的FIN，客户端可能有自己的资源需要释放，客户端处理完成之后会发送一个ACK。所以刚好是四次挥手。
总结
1.TCP提供了连接（Connection），让双方的传输更加稳定、安全。
2.TCP没有直接提供会话，因为应用对会话的需求多种多样，比如聊天的会话可能需要保持双方的聊天记录，电商程序会话需要保持购物车、订单一致，所以会话通常在TCP连接上进一步封装，在应用层提供。
3.TCP协议是一个面向连接的协议（Connection -oriented Protocol),说的就是TCP协议参与的双方（Host）在接收数据之前就会创建连接。我们之后还会学习UDP协议，UDP是一个面向报文（Datagram-oriented）的协议，协议双方不需要创建连接，直接传送报文（数据）
4.最后连接需要消耗资源；比如说，在传输数据前，必须协商创建连接。因此，不是每种场景都应该用连接导向的协议。像视频播放的场景，如果使用连接导向的协议，服务端每向客户端发送一帧视频，客户端都要给一个响应，这是不合理的
TCP为什么握手是3次、挥手是4次？
【解析】TCP是一个双工协议，为了让双方都保证建立连接的时候，连接双发都需要向对方发送SYC（同步请求）和ACK（响应），握手阶段双方都没有繁琐的工作，因此一方发出SYC之后，另一方可以将自己的ACK和SYC打包作为一个消息回复，因此三次握手时需要三次数据传输。
到了挥手阶段，双方都有未完成的工作。收到FIN请求的一方，必须马上响应（ACK），表示收到FIN请求。类比现实当中你收到一个Offer，出于礼貌先回复考虑一下，然后思考一端时间在给HR最后的回复。等待所有的工作都处理完成，再发送请求中断（FIN），因此是四次挥手。
思考题
一台内存8G左右的服务器可以同时维护多少个连接？可以在评论区写下你的思路和答案
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