TCP协议

• 序列号seq：占4个字节，用来标记数据段的顺序，TCP把连接中发送的所有数据字节都编上一个序号，第一个字节的编号由本地随机产生；序列号seq就是这个报文段中的第一个字节的数据编号。
• 确认号ack：占4个字节，期待收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号；序列号表示报文段携带数据的第一个字节的编号，而确认号指的是期望接收到下一个字节的编号；因此当前报文段最后一个字节的编号+1即为确认号。
• 确认标志位ACK：占1位，仅当ACK=1时，确认号字段才有效。ACK=0时，确认号无效。

• TCP包头中的序号是为了解决乱序的问题，给包编号可以确定先来后到。

• TCP包头中的确认序号是为了解决不丢包的问题，发出去的包应该需要确认对方是否收到，如果没有收到就应该重新发送，直到送达。

• 从IP层面来讲，如果网络状况比较差，则IP层的数据是没有任何可靠性保证的，而作为IP层的上一层TCP也无能为力，TCP层唯一能做的就是不断重传，在它的层面上通过各种算法努力保证可靠性。

• TCP包头中的状态位比如：发起一个连接SYN，回复ACK，重新连接RST，结束连接FIN等。TCP是面向连接的，因而双方要维护连接的状态，这些带状态位的包的发送，会引起双方的状态变更。

• TCP包头中的窗口大小是为了做流量控制，通信双方各声明一个窗口，标识自己当前能够处理的能力。TCP还会做拥塞控制，控制发送的速度。

• TCP的连接建立，常称为三次握手，因为三次就可以做到双方的消息都有去有回。具体过程如下：

  　　A.第一次握手是由客户端向服务端发起的，是用来去发起一个连接建立的请求，在报文中，SYN位会被标记为1，产生一个随机序列号x；

  　　B.第二次握手是由服务器向客户端发起的，是服务器来确认一个请求连接的，在报文中，ACK位和SYN位都会被标记为1，产生一个随机序列号y，确认序号ack = x + 1；

  　　C.第三次握手是客户端发给服务器的，是对服务器的上一个报文的一个确认报文，这个报文中的ACK被标记为1，序列号为x+1，确认序号ack = y + 1。

  概括为：客户端 -> SYN -> 服务端

  　　       服务端 -> SYN/ACK -> 客户端

  　　       客户端 -> ACK -> 服务端

• 三次握手除了双方建立连接外，主要还是为了沟通TCP包的序号的问题。每个连接都要有不同的序号，这个序号的起始序号是随着时间变化的。

• 双方建立连接后，为了维护这个连接，双方都要维护一个状态机，在连接建立的过程中，双方的状态变化时序图如图所示。具体为：

 

　　　　A.一开始，左边的客户端和右边的服务端都处于CLOSED状态，先是服务端主动监听某个端口，处于LISTEN状态；
　　　　B.然后客户端主动发起连接SYN，之后处于SYN-SENT状态；
　　　　C.服务端收到发起的连接，返回SYN，并且回复客户端的SYN，之后处于SYN-RCVD状态；
　　　　D.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状态；
　　　　E.服务端收到ACK的ACK之后，也处于ESTABLISHED状态。

• TCP的连接结束，常成为四次挥手。具体过程如下：

　　A.第一次挥手是客户端向服务器发起的，这个时候客户端已经完成了数据发送，会发起一个包去进行连接断开的请求，这个报文中的FIN位被标记为1，产生一个随机序列号u；

　　B.第二次挥手是服务器发给客户端的，这个报文是用来确认上一个客户端断开连接请求的一个报文，ACK被标记为1，产生一个随机序列化v，确认序号ack = u + 1；
　　C.第三次挥手同样是服务器发给客户端的，此时服务器的数据如果也发送完毕的话，服务器会向客户端发起一个断开连接的申请，在这个报文中，ACK和FIN位都会被标记为1，产生一个随机序列号w，确认序号ack = u + 1；
　　D.第四次挥手是客户端发给服务器的，是用来确认服务器的上一个断开连接的，ACK位被标记为1，序列号为u+1，确认序号ack = w + 1。
　　概括为：客户端 -> FIN -> 服务端
　　　　　　服务端 -> ACK -> 客户端
　　　　　　服务端 -> ACK/FIN -> 客户端
　　　　　　客户端 -> ACK -> 服务端

 

• TCP四次挥手时的状态变化：

1. 客户端先向服务器发送FIN报文，请求断开连接，其状态变为FIN_WAIT1；
2. 服务器收到FIN后向客户端发送ACK，服务器的状态围边CLOSE_WAIT；
3. 客户端收到ACK后就进入FIN_WAIT2状态，此时连接已经断开了一半了。如果服务器还有数据要发送给客户端，就会继续发送；
4. 直到服务器发完数据，就会发送FIN报文，此时服务器进入LAST_ACK状态；
5. 客户端收到服务器的FIN后，马上发送ACK给服务器，此时客户端进入TIME_WAIT状态；
6. 再过了2MSL长的时间后进入CLOSED状态。服务器收到客户端的ACK就进入CLOSED状态。

• MSL是报文最大生存时间，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报文是基于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。

• 将连接建立和连接断开的两个时序状态图综合起来，就得到著名的TCP状态机。

• TCP协议为了保证顺序性，每一个包都有一个ID序号。在建立连接时，会商定起始的ID序号，然后按照ID一个个发送；为了保证不丢包，对于发送的包都要进行应答，但是这个应答不是一个个来的，而是会应答某个之前的ID，表示都收到了，这种模式称为累计确认或者累计应答。

• 为了记录所有发送的包和接收的包，TCP需要发送端和接收端分别都有缓存来保存这些记录。

• 发送端缓存里的包是按照包的ID一个个排列，根据处理的情况分成四个部分：

　　　　第一部分：发送了并且已经确认的。

　　　　第二部分：发送了并且尚未确认的。

　　　　第三部分：没有发送，但是已经等待发送的。

　　　　第四部分：没有发送，并且暂时还不会发送的。

• 发送端缓存区分第三和第四部分是为了做流量控制，在TCP里，接收端会给发送端报一个窗口的大小，这个窗口的大小应该等于第二部分加上第三部分，超过这个窗口的，接收端处理不过来，就不能发送。
  

• 对于接收端，它的缓存里记录三部分内容：

　　　　第一部分：接受并且确认过的。

　　　　第二部分：还没接收，但是马上就能接收的。

　　　　第三部分：还没接收，也没法接收的。

• 顺序问题、丢包问题、流量控制都是通过滑动窗口来解决。拥塞控制通过拥塞窗口来解决。