1、介紹TCP

TCP(Transmission Control Protocol 傳輸控制協議)是一種面向連接、可靠的、基于字節流的傳輸層通信協議。

TCP將通過以下方式來提供可靠性傳輸：

TCP 可靠性傳輸實現（一）TCP的三次握手和四次揮手；

TCP 可靠性傳輸實現（二）TCP的重傳機制；

http://www.lxweimin.com/p/f7f75a0f6384

TCP 可靠性傳輸實現（三）TCP的流量控制和擁塞機制；

TCP 可靠性傳輸實現（四）TCP的保活機制；

TCP面向連接意味著兩個使用TCP的應用（通常是一個客戶端和一個服務器）在彼此交換數據之前必須先建立一個TCP連接。這一過程和打電話相似，先撥號振鈴，等待對方接通后說“喂”，然后才說明是誰。在本文將介紹TCP是如何建立連接的，以及當一方通信結束后如何斷開連接。

2、TCP的首部

TCP數據被封裝在一個IP數據報中，如圖：

TCP數據在IP數據報中的封裝

下圖顯示TCP首部的數據格式。如果不計任選字段，它通常是20個字節。

TCP包首部

每個TCP段都包含源端和目的端的端口號，用于尋找發端和收端應用程序。這兩個值加上IP首部中的源端IP地址和目的端IP地址唯一確定一個TCP連接。

一個IP地址和一個端口號也稱為一個插口（socket）。插口對（socket pair）（包含客戶IP地址、客戶端端口號、服務器IP地址和服務器端口號的四元組）可唯一確定互聯網絡中每個TCP連接的雙方。

下面介紹下TCP首部字段：

序列號：用來標識從TCP發端向TCP收端發送的數據字節流，它表示在這個報文段中的第一個數據字節。如果把字節流看做在兩個應用程序間的單向流動，則TCP用序號對每個字節進行計數。序號是32bit的無符號數，序號到達2^32-1后又從0開始。序號用來解決網絡包亂序問題。接收端根據這個編號進行確認。

確認號：是接收確認端期望收到的下一個序列號。確認號應當是上次已成功收到的數據字節序號加1，只有當標志位中的ACK標志為1時該確認號的字段才有效。主要用來解決丟包問題。

若確認號=N，則表明：到序號N-1為止的所有數據都已正確收到。

首部長度：

TCP 首部總長度由該字段決定。該字段占 4bit，取最大值1111時，也就是十進制的 15，TCP 首部的偏移單位是 4 byte, 那么TCP 首部最長是 15 * 4 = 60 字節。?TCP 首部總長度有20個固定字節，所以該字段最短是 20byte / 4byte =?5，即 0101。首部長度也叫做數據偏移，因為首部長度實際上指示了數據區在報文段的起始偏移值。

保留位：

為將來定義新的用途保留，現在一般置 0。

控制位：TCP首部中有6個標志比特，它們中的多個可同時被設置為1，主要是用于操控TCP的狀態機的，依次為URG 、 ACK、? PSH、 RST、 SYN、 FIN。

?URG：緊急指針有效，是發送端向接收端發送緊急數據的一種方式。

?ACK：該位為1時表示【確認應答號】有效，TCP規定除了最初建立連接時的 SYN 號之外，該位必須設置為1。

?PSH：接收方應該盡快將這個報文段交給應用層。

?SYN：該位為1時表示希望建立連接，同步序號用來發起一個連接。

?RST：該位為1時表示TCP連接出現異常，必須強制斷開連接。

?FIN：該位為1時表示希望斷開連接。

窗口大小：

TCP的流量控制由連接的每一端通過聲明的窗口大小來提供。

校驗和：

是一個強制性的字段，一定是由發送端計算和存儲，并由接收端進行驗證。

緊急指針：

當URG標志置1時緊急指針才有效。緊急指針是一個正的偏移量，和序號字段中的值相加表示緊急數據最后一個字節的序號。

選項字段：

選項字段的長度 = TCP 首部總長度 - 20 字節固定長度。 由于 TCP?首部總長度最大為 60字節， 那么選項字段的長度最大為 40 字節；

一個選項字段占 4個字節

最常見的可選字段是最長報文大小，又稱為MSS(Maximum Segment Size)。每個連接方通常都在通信的第一個報文段（為建立連接而設置SYN標志的那個段）中指明這個選項。它表明本端所能接收的最大長度的報文段。

數據：

數據部分是可選的，在連接建立和終止時，雙方交換的報文段僅有TCP首部，如果一方沒有數據要發送，也使用沒有任何數據的首部來確認收到的數據。

3、TCP連接的建立

TCP連接的建立與關閉

第一次握手：客戶端發送請求報文將 SYN = J 的初始序列號發送給服務端，發送完之后客戶端處于SYN_SENT狀態。

第二次握手：服務端收到SYN請求報文后，如果同意連接，會以自己的SYN(服務端) = K? 的初始序列號和 ack = SYN(客戶端) + 1 報文作為應答，服務端處于SYN_RECEIVE狀態。

第三次握手：客戶端接收到服務端的SYN+ack， 發送 ack = SYN(服務端) + 1確認包作為應答，客戶端轉為ESTABLISHED狀態。

為什么是三次握手？不是兩次、四次？

這個問題需要回到TCP的概念上：

TCP連接是為了得到 保證連接可靠性和流量控制所需維護的某些狀態信息，這些信息的組合包括 Socket、序列號、窗口大小。 所以問題就是，為什么三次握手才可以初始化Socket、序列號、窗口大小并建立TCP連接。原因有三：

客戶端連續發送多次SYN建立連接的報文，在網絡擁堵等情況下出現：

?一個【舊的SYN報文】比【最新的SYN】報文更早到了服務端，那么此時，服務端就會回一個SYN + ACK 報文給客戶端；

?客戶端收到后根據自身的上下文，判斷這是一個歷史連接（序列號過期或超時），那么客戶端就會發送 RST 報文給服務端，表示終止這一次的連接；

如果是兩次握手連接，就不能判斷此次連接是否是歷史連接，三次握手可以讓客戶端準備發送第三次報文時，客戶端有足夠的上下文來判斷當前的連接是否是歷史連接。

（2）三次握手才可以同步雙方的初始序列號；

TCP的通信雙方都必須維護一個【序列號】，序列號是可靠傳輸的一個關鍵因素，它的作用：

?接收方可以丟棄重復的數據；

?接收方可以根據數據包的序列號按序接收；

?發送方可以標識哪些數據包是已被對方接收到的；

因此在三次握手中，當客戶端方法攜帶【初始序列號】的 SYN 報文的時候，需要服務端回一個 ACK 應答報文，表示客戶端的 SYN報文已被服務端成功接收， 那當服務端發送【初始序列號】給客戶端的時候，也需要得到客戶端的應答回應，這樣才能保證雙方的初始序列號能被可靠的同步。

四次握手是把 服務端回應客戶端的 ACK 請求和服務端發送給服務端的初始序列號（第二步、第三步）合并成了一步，因此就成了【三次握手】。

（3）三次握手才可以避免資源的浪費；

如果只有【兩次握手】，當客戶端的 SYN 請求連接在網絡中阻塞，客戶端超時沒有收到 ACK 應答報文就會重新發送 SYN，由于沒有三次握手，服務端直接就分配資源并建立連接會導致：

建立了多個冗余的無效連接，造成不必要的浪費。

兩次握手會導致資源浪費

4、TCP連接的斷開

四次揮手

第一次揮手：首先進行關閉的一方（即發送第一個 FIN）將執行主動關閉，而另一方（收到這個 FIN）執行被動關閉。客戶端發送完 FIN 報文后，就進入了 FIN_WAIT_1 狀態；

第二次揮手：服務器收到這個 FIN ，它發回一個確認應答 ACK，ack = M + 1 (即，收到的序號+1)? 表示收到了，接著服務端進入CLOSE_WAIT 狀態。客戶端收到服務端的 ACK 應答報文后，進入 FIN_WAIT_2 狀態。

第三次揮手：等待服務端處理完數據后，也向客戶端發送 FIN 報文，之后服務端進入 LAST_ACK 狀態。

第四次揮手：服務端收到了 ACK 應答報文后，就進入了 CLOSE 狀態，至此服務端完成了連接的關閉。

為什么揮手需要四次？

?關閉連接時，客戶端向服務端發送 FIN 時，僅僅表示客戶端不再發送數據了，但還是能接收數據。

?服務端收到客戶端的 FIN 報文時，先回一個 ACK 應答報文，而服務端可能還有數據需要處理和發送，等服務端不再發送數據時，才發送 FIN 報文給客戶端表示同意關閉連接。

服務端的 ACK 和 FIN 一般都會分開發送，從而比三次握手多了一次。

5、Socket編程

應用在使用 TCP 或 UDP 時，會用到操作系統提供的類庫。這種類庫一般被稱為API（Application Programming Interface 應用編程接口），使用 TCP 或 UDP 通信時，又會廣泛使用到套接字（Socket）的API。

Socket

那么TCP如何利用Socket編程

基于TCP的Socket通信

?服務端和客戶端初始化 socket，得到文件描述符；

?服務端調用 bind ，將綁定 IP 地址和端口號；

?服務端調用 listen ，進行監聽；

?服務端調用 accept，等待客戶端連接；

?客戶端調用 connect，向服務端的地址和端口發起連接請求；

?服務端 accept 返回用于傳輸的 socket 的文件描述符；

?客戶端調用 write 寫入數據； 服務端調用 read 讀取數據；

?客戶端斷開連接時，會調用 close ， 服務端 read 讀取數據的時候，就會讀取到 EOF，待處理完數據后，服務端調用 close 表示連接關閉。

注意：服務端調用 accept 時，連接成功了會返回一個已完成連接的socket，后續用來傳輸數據。所以，監聽的 socket 和 用來傳輸數據的 socket，是兩個 socket，一個是 監聽 socket，一個是 已完成連接 socket。

重點講下三次握手連接請求的實現：

通過隊列實現

處于 listen 狀態的 TCP socket，有兩個獨立的隊列：

?SYN 隊列（SYN Queue）

存儲了收到了 SYN 包的連接，它的職責是回復 SYN + ACK 包，并且在客戶端沒有收到 ACK包時執行重傳。 發送完 SYN + ACK 之后， SYN 隊列等待從客戶端發出的 Ack 包（三次握手的最后一個包）。當收到 ACK 包時，首先找到對應的 SYN 隊列，再在對應的 SYN隊列中檢查相關的數據是否匹配，如果匹配，則將連接相關的數據從 SYN 隊列中移除，創建一個完整的連接（用于傳輸數據的），并將這個連接加入到 Accept 隊列。

?Accept 隊列（Accept Queue）

存放的是已建立好的連接，等待被應用程序取走。 當進程調用 accept() 時， 將 socket 從隊列中取出，傳遞給上層應用程序。

參考文檔：
1、TCP/IP 詳解

2、圖解tcpip

3、https://mp.weixin.qq.com/s/tH8RFmjrveOmgLvk9hmrkw

4、https://mp.weixin.qq.com/s/5VXhL0dTFcWNyfQ7-7NBEg

5、https://mp.weixin.qq.com/s?src=11&timestamp=1592656050&ver=2412&signature=8YnNG5TR2QrxJK4CPHAknP8I4ujYG2voPwedWyH1EJXVSQUKDS5IaHvbMd3S7kpL7GrCaZkQbvgbh5OoX9IZ777abi2e3Ze-Cu1DCoLk9cexKOng3oXRfgt60fOU2gNF&new=1

6、https://blog.csdn.net/mary19920410/article/details/58030147

7、https://blog.csdn.net/Mary19920410/article/details/72857764