背景描述

通過上一篇中網(wǎng)絡(luò)模型中的IP層的介紹，我們知道網(wǎng)絡(luò)層，可以實現(xiàn)兩個主機(jī)之間的通信。但是這并不具體，因為，真正進(jìn)行通信的實體是在主機(jī)中的進(jìn)程，是一個主機(jī)中的一個進(jìn)程與另外一個主機(jī)中的一個進(jìn)程在交換數(shù)據(jù)。IP協(xié)議雖然能把數(shù)據(jù)報文送到目的主機(jī)，但是并沒有交付給主機(jī)的具體應(yīng)用進(jìn)程。而端到端的通信才應(yīng)該是應(yīng)用進(jìn)程之間的通信。

UDP，在傳送數(shù)據(jù)前不需要先建立連接，遠(yuǎn)地的主機(jī)在收到UDP報文后也不需要給出任何確認(rèn)。雖然UDP不提供可靠交付，但是正是因為這樣，省去和很多的開銷，使得它的速度比較快，比如一些對實時性要求較高的服務(wù)，就常常使用的是UDP。對應(yīng)的應(yīng)用層的協(xié)議主要有 DNS,TFTP,DHCP,SNMP,NFS 等。

TCP，提供面向連接的服務(wù)，在傳送數(shù)據(jù)之前必須先建立連接，數(shù)據(jù)傳送完成后要釋放連接。因此TCP是一種可靠的的運輸服務(wù)，但是正因為這樣，不可避免的增加了許多的開銷，比如確認(rèn)，流量控制等。對應(yīng)的應(yīng)用層的協(xié)議主要有 SMTP,TELNET,HTTP,FTP 等。

TCP的概述

TCP把連接作為最基本的對象，每一條TCP連接都有兩個端點，這種斷點我們叫作套接字（socket），它的定義為端口號拼接到IP地址即構(gòu)成了套接字，例如，若IP地址為192.3.4.16 而端口號為80，那么得到的套接字為192.3.4.16:80。

TCP報文首部

1.源端口和目的端口，各占2個字節(jié)，分別寫入源端口和目的端口；

2.序號，占4個字節(jié)，TCP連接中傳送的字節(jié)流中的每個字節(jié)都按順序編號。例如，一段報文的序號字段值是 301 ，而攜帶的數(shù)據(jù)共有100字段，顯然下一個報文段（如果還有的話）的數(shù)據(jù)序號應(yīng)該從401開始；

3.確認(rèn)號，占4個字節(jié)，是期望收到對方下一個報文的第一個數(shù)據(jù)字節(jié)的序號。例如，B收到了A發(fā)送過來的報文，其序列號字段是501，而數(shù)據(jù)長度是200字節(jié)，這表明B正確的收到了A發(fā)送的到序號700為止的數(shù)據(jù)。因此，B期望收到A的下一個數(shù)據(jù)序號是701，于是B在發(fā)送給A的確認(rèn)報文段中把確認(rèn)號置為701；

4.數(shù)據(jù)偏移，占4位，它指出TCP報文的數(shù)據(jù)距離TCP報文段的起始處有多遠(yuǎn)；

5.保留，占6位，保留今后使用，但目前應(yīng)都位0；

6.緊急URG，當(dāng)URG=1，表明緊急指針字段有效。告訴系統(tǒng)此報文段中有緊急數(shù)據(jù)；

7.確認(rèn)ACK，僅當(dāng)ACK=1時，確認(rèn)號字段才有效。TCP規(guī)定，在連接建立后所有報文的傳輸都必須把ACK置1；

8.推送PSH，當(dāng)兩個應(yīng)用進(jìn)程進(jìn)行交互式通信時，有時在一端的應(yīng)用進(jìn)程希望在鍵入一個命令后立即就能收到對方的響應(yīng)，這時候就將PSH=1；

9.復(fù)位RST，當(dāng)RST=1，表明TCP連接中出現(xiàn)嚴(yán)重差錯，必須釋放連接，然后再重新建立連接；

10.同步SYN，在連接建立時用來同步序號。當(dāng)SYN=1，ACK=0，表明是連接請求報文，若同意連接，則響應(yīng)報文中應(yīng)該使SYN=1，ACK=1；

11.終止FIN，用來釋放連接。當(dāng)FIN=1，表明此報文的發(fā)送方的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢，并且要求釋放；

12.窗口，占2字節(jié)，指的是通知接收方，發(fā)送本報文你需要有多大的空間來接受；

13.檢驗和，占2字節(jié)，校驗首部和數(shù)據(jù)這兩部分；

14.緊急指針，占2字節(jié)，指出本報文段中的緊急數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；

15.選項，長度可變，定義一些其他的可選的參數(shù)。

TCP連接的建立（三次握手）

最開始的時候客戶端和服務(wù)器都是處于CLOSED狀態(tài)。主動打開連接的為客戶端，被動打開連接的是服務(wù)器。

1.TCP服務(wù)器進(jìn)程先創(chuàng)建傳輸控制塊TCB，時刻準(zhǔn)備接受客戶進(jìn)程的連接請求，此時服務(wù)器就進(jìn)入了LISTEN（監(jiān)聽）狀態(tài)；

2.TCP客戶進(jìn)程也是先創(chuàng)建傳輸控制塊TCB，然后向服務(wù)器發(fā)出連接請求報文，這是報文首部中的同部位SYN=1，同時選擇一個初始序列號 seq=x ，此時，TCP客戶端進(jìn)程進(jìn)入了 SYN-SENT（同步已發(fā)送狀態(tài)）狀態(tài)。TCP規(guī)定，SYN報文段（SYN=1的報文段）不能攜帶數(shù)據(jù)，但需要消耗掉一個序號。

3.TCP服務(wù)器收到請求報文后，如果同意連接，則發(fā)出確認(rèn)報文。確認(rèn)報文中應(yīng)該 ACK=1，SYN=1，確認(rèn)號是ack=x+1，同時也要為自己初始化一個序列號 seq=y，此時，TCP服務(wù)器進(jìn)程進(jìn)入了SYN-RCVD（同步收到）狀態(tài)。這個報文也不能攜帶數(shù)據(jù)，但是同樣要消耗一個序號。

4.TCP客戶進(jìn)程收到確認(rèn)后，還要向服務(wù)器給出確認(rèn)。確認(rèn)報文的ACK=1，ack=y+1，自己的序列號seq=x+1，此時，TCP連接建立，客戶端進(jìn)入ESTABLISHED（已建立連接）狀態(tài)。TCP規(guī)定，ACK報文段可以攜帶數(shù)據(jù)，但是如果不攜帶數(shù)據(jù)則不消耗序號。

5.當(dāng)服務(wù)器收到客戶端的確認(rèn)后也進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，此后雙方就可以開始通信了。

為

什么TCP客戶端最后還要發(fā)送一次確認(rèn)呢？

一句話，主要防止已經(jīng)失效的連接請求報文突然又傳送到了服務(wù)器，從而產(chǎn)生錯誤。

如果使用的是兩次握手建立連接，假設(shè)有這樣一種場景，客戶端發(fā)送了第一個請求連接并且沒有丟失，只是因為在網(wǎng)絡(luò)結(jié)點中滯留的時間太長了，由于TCP的客戶端遲遲沒有收到確認(rèn)報文，以為服務(wù)器沒有收到，此時重新向服務(wù)器發(fā)送這條報文，此后客戶端和服務(wù)器經(jīng)過兩次握手完成連接，傳輸數(shù)據(jù)，然后關(guān)閉連接。此時此前滯留的那一次請求連接，網(wǎng)絡(luò)通暢了到達(dá)了服務(wù)器，這個報文本該是失效的，但是，兩次握手的機(jī)制將會讓客戶端和服務(wù)器再次建立連接，這將導(dǎo)致不必要的錯誤和資源的浪費。

如果采用的是三次握手，就算是那一次失效的報文傳送過來了，服務(wù)端接受到了那條失效報文并且回復(fù)了確認(rèn)報文，但是客戶端不會再次發(fā)出確認(rèn)。由于服務(wù)器收不到確認(rèn)，就知道客戶端并沒有請求連接。

TCP連接的釋放（四次揮手）

數(shù)據(jù)傳輸完畢后，雙方都可釋放連接。最開始的時候，客戶端和服務(wù)器都是處于ESTABLISHED狀態(tài)，然后客戶端主動關(guān)閉，服務(wù)器被動關(guān)閉。

客戶端進(jìn)程發(fā)出連接釋放報文，并且停止發(fā)送數(shù)據(jù)。釋放數(shù)據(jù)報文首部，F(xiàn)IN=1，其序列號為seq=u（等于前面已經(jīng)傳送過來的數(shù)據(jù)的最后一個字節(jié)的序號加1），此時，客戶端進(jìn)入FIN-WAIT-1（終止等待1）狀態(tài)。 TCP規(guī)定，F(xiàn)IN報文段即使不攜帶數(shù)據(jù)，也要消耗一個序號。

服務(wù)器收到連接釋放報文，發(fā)出確認(rèn)報文，ACK=1，ack=u+1，并且?guī)献约旱男蛄刑杝eq=v，此時，服務(wù)端就進(jìn)入了CLOSE-WAIT（關(guān)閉等待）狀態(tài)。TCP服務(wù)器通知高層的應(yīng)用進(jìn)程，客戶端向服務(wù)器的方向就釋放了，這時候處于半關(guān)閉狀態(tài)，即客戶端已經(jīng)沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送了，但是服務(wù)器若發(fā)送數(shù)據(jù)，客戶端依然要接受。這個狀態(tài)還要持續(xù)一段時間，也就是整個CLOSE-WAIT狀態(tài)持續(xù)的時間。

客戶端收到服務(wù)器的確認(rèn)請求后，此時，客戶端就進(jìn)入FIN-WAIT-2（終止等待2）狀態(tài)，等待服務(wù)器發(fā)送連接釋放報文（在這之前還需要接受服務(wù)器發(fā)送的最后的數(shù)據(jù)）。

服務(wù)器將最后的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，就向客戶端發(fā)送連接釋放報文，F(xiàn)IN=1，ack=u+1，由于在半關(guān)閉狀態(tài)，服務(wù)器很可能又發(fā)送了一些數(shù)據(jù)，假定此時的序列號為seq=w，此時，服務(wù)器就進(jìn)入了LAST-ACK（最后確認(rèn)）狀態(tài)，等待客戶端的確認(rèn)。

客戶端收到服務(wù)器的連接釋放報文后，必須發(fā)出確認(rèn)，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列號是seq=u+1，此時，客戶端就進(jìn)入了TIME-WAIT（時間等待）狀態(tài)。注意此時TCP連接還沒有釋放，必須經(jīng)過2 ∗ * ∗MSL（最長報文段壽命）的時間后，當(dāng)客戶端撤銷相應(yīng)的TCB后，才進(jìn)入CLOSED狀態(tài)。

服務(wù)器只要收到了客戶端發(fā)出的確認(rèn)，立即進(jìn)入CLOSED狀態(tài)。同樣，撤銷TCB后，就結(jié)束了這次的TCP連接。可以看到，服務(wù)器結(jié)束TCP連接的時間要比客戶端早一些。

為什么客戶端最后還要等待2MSL？

MSL（Maximum Segment Lifetime），TCP允許不同的實現(xiàn)可以設(shè)置不同的MSL值。

第一，保證客戶端發(fā)送的最后一個ACK報文能夠到達(dá)服務(wù)器，因為這個ACK報文可能丟失，站在服務(wù)器的角度看來，我已經(jīng)發(fā)送了FIN+ACK報文請求斷開了，客戶端還沒有給我回應(yīng)，應(yīng)該是我發(fā)送的請求斷開報文它沒有收到，于是服務(wù)器又會重新發(fā)送一次，而客戶端就能在這個2MSL時間段內(nèi)收到這個重傳的報文，接著給出回應(yīng)報文，并且會重啟2MSL計時器。

第二，防止類似與“三次握手”中提到了的“已經(jīng)失效的連接請求報文段”出現(xiàn)在本連接中?？蛻舳税l(fā)送完最后一個確認(rèn)報文后，在這個2MSL時間中，就可以使本連接持續(xù)的時間內(nèi)所產(chǎn)生的所有報文段都從網(wǎng)絡(luò)中消失。這樣新的連接中不會出現(xiàn)舊連接的請求報文。

為什么建立連接是三次握手，關(guān)閉連接確是四次揮手呢？

建立連接的時候， 服務(wù)器在LISTEN狀態(tài)下，收到建立連接請求的SYN報文后，把ACK和SYN放在一個報文里發(fā)送給客戶端。而關(guān)閉連接時，服務(wù)器收到對方的FIN報文時，僅僅表示對方不再發(fā)送數(shù)據(jù)了但是還能接收數(shù)據(jù)，而自己也未必全部數(shù)據(jù)都發(fā)送給對方了，所以己方可以立即關(guān)閉，也可以發(fā)送一些數(shù)據(jù)給對方后，再發(fā)送FIN報文給對方來表示同意現(xiàn)在關(guān)閉連接，因此，己方ACK和FIN一般都會分開發(fā)送，從而導(dǎo)致多了一次。

如果已經(jīng)建立了連接，但是客戶端突然出現(xiàn)故障了怎么辦？

TCP還設(shè)有一個?；钣嫊r器，顯然，客戶端如果出現(xiàn)故障，服務(wù)器不能一直等下去，白白浪費資源。服務(wù)器每收到一次客戶端的請求后都會重新復(fù)位這個計時器，時間通常是設(shè)置為2小時，若兩小時還沒有收到客戶端的任何數(shù)據(jù)，服務(wù)器就會發(fā)送一個探測報文段，以后每隔75秒發(fā)送一次。若一連發(fā)送10個探測報文仍然沒反應(yīng)，服務(wù)器就認(rèn)為客戶端出了故障，接著就關(guān)閉連接。

總結(jié)

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