TCP协议

TCP协议，即传输控制协议(英文全拼：Transmission Control Protocol)。 其是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。 TCP通信需要经过创建连接、传送数据、终止连接三个步骤。在通信传输之前，先要打开一个连接，连接关闭后无法再发送数据。

TCP通信类似生活中的“打电话”，打电话之前，必须要先拨打对方的电话号码请求建立连接，接通后双方才能通信，而电话挂断后就不能再进行通信了。

TCP特点

1.面向连接

进行TCP通信的双方必须先建立连接，然后才能进行数据的传输，双方都必须为该连接分配必要的系统内核资源，以管理连接的状态和连接上的传输。 双方间的数据传输都在这一个连接上进行。完成数据交换后，双方必须断开此连接，以释放系统资源。并且这种连接是一对一的。

2.可靠传输

TCP通过4种机制实现可靠传输：

1）TCP采用发送应答机制
TCP发送的每个报文段都必须得到接收方的应答，如此才会认为这个TCP报文段传输成功。

2）超时重传
发送端发出一个报文段之后就启动定时器，如果在定时时间内没有收到应答就重新发送这个报文段。

TCP为了保证不发生丢包，就给每个包一个序号，序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的包发回一个相应的确认(ACK)。如果发送端实体在合理的往返时延(RTT)内未收到确认，那么就会假设对应的数据包已丢失将会进行重传。

3）错误校验

TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误，在发送和接收时都要计算校验和。

4）流量控制和阻塞管理

流量控制用来避免主机发送得过快而使接收方来不及完全收下。

3.基于字节流

TCP是一种流模式协议(steam protocol)，数据是以字节流的形式进行传输的，其中传送的字节流中的每个字节都按顺序编号。

TCP发送字节流数据流程：
（1）先将某次发送的数据作为一个数据块暂存到发送缓存区，发送时在缓存区先后打包成TCP报文段和IP数据包后发送(由于缓存区不止存在此次发送的数据，一个数据块可能会被分割成一部分与其他数据块一同被打包成TCP报文段)；
（2）TCP报文段包含TCP首部和TCP数据两部分，首部包含源端口号和目的端口号、字节序号及确认号等信息；该TCP报文段被进一步包装，成为IP报文段，包含IP首部和IP数据部分，IP首部包含源IP地址和目的IP地址等信息，IP数据部分即是TCP报文段；

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（3）网络链路层会根据源IP地址、目的IP地址和源端口号、目的端口号确定连接的双方，把IP数据包发送到接收端的接收缓存区；
（4）接收端应用程序从接收缓存区读取数据块，根据字节序号将数据重组成完整数据，即成功接收到消息；

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简要总结一下TCP即是：TCP协议是建立在IP协议之上的，负责在两台计算机之间建立可靠连接，保证数据包按顺序到达。

建立TCP连接-3次握手

建立一个TCP连接时，需要客户端和服务端进行“3次握手”，以确认建立连接。“3次握手”是对客户端和服务端通过发3个包来确认建立连接的比喻。

3次握手的流程如下图所示：

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（1）第一次握手：Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认；
（2）第二次握手：Server收到数据包后由标志位“SYN=1”知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态；
（3）第三次握手：Client收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

为何非要3次握手？
一次、两次握手建立连接的不可行性：
1）一次握手建立连接，即客户端发送一个请求连接的数据包即建立连接：由于TCP协议的接收应答机制，一次握手肯定不行，一方面服务端可能没有接收到这个请求，另一方面客户端也无法知晓服务端是否接收到了这个请求；在这种情形下建立的连接非常不可靠，可能只是客户端单方面的分配连接资源，而服务端完全不知道情形；
2）两次握手建立连接，即客户端和服务端各发送一个数据包即建立连接：第一次握手是客户端请求建立连接，第二次握手是服务端响应连接请求，然后服务端即分配资源建立连接。但是服务端的响应连接请求的信号客户端可能没有接收到，由于TCP协议的接收应答机制，客户端会再次发出建立连接的请求，这样服务端又会再次分配资源建立连接，而前一次连接就会是占系统用资源的无效连接。假设服务端每次发送的数据一直在丢失，客户端一直SYN，服务器就会产生多个无效连接，占用资源，这个时候服务器可能会挂掉。这个现象就是我们听过的“SYN的洪水攻击”。

三次握手建立连接的可行性：
第一次握手是客户端发起建立连接的请求，然后服务端响应此请求表示可以建立连接进行了第二次握手，最后第三次握手是客户端对服务端表示可以建立连接的再次响应，代表客户端接收到了服务端发出的可以连接的信号。这之后双方都能确认对方接收到了自己的信号，因此可以开始分配资源建立连接传输数据。三次握手能够建立可靠的连接。

四次、五次握手的不必要性： 由于三次握手即可以创建可靠的连接了，四次、五次握手就没有必要了。

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断开TCP连接-4次挥手

断开客户端和服务器的TCP连接需要经过“四次挥手”。

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第一次挥手：主机1（可以是客户端，也可以是服务器端），设置Sequence Number和Acknowledgment Number，向主机2发送一个FIN报文段；此时，主机1进入FIN_WAIT_1状态；这表示主机1没有数据要发送给主机2了；

第二次挥手：主机2收到了主机1发送的FIN报文段，向主机1回一个ACK报文段，Acknowledgment Number为Sequence Number加1；主机1进入FIN_WAIT_2状态；

第三次挥手：主机2向主机1发送FIN报文段，请求关闭连接，同时主机2进入CLOSE_WAIT状态；这表示主机2告诉主机1，我也没有数据要发送了，可以进行关闭连接了；

第四次挥手：主机1收到主机2发送的FIN报文段，向主机2发送ACK报文段，然后主机1进入TIME_WAIT状态；主机2收到主机1的ACK报文段以后，就关闭连接；此时，主机1等待2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那好，主机1也可以关闭连接了。

问题

1.为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态？

首先，MSL即Maximum Segment Lifetime，就是最大报文生存时间，是任何报文在网络上的存在的最长时间，超过这个时间报文将被丢弃。《TCP/IP详解》中是这样描述的：MSL是任何报文段被丢弃前在网络内的最长时间。RFC 793中规定MSL为2分钟，实际应用中常用的是30秒、1分钟、2分钟等。

TCP的TIME_WAIT需要等待2MSL，当TCP的一端发起主动关闭，三次挥手完成后发送第四次挥手的ACK包后就进入这个状态，等待2MSL时间主要目的是：防止最后一个ACK包对方没有收到，那么对方在超时后将重发第三次挥手的FIN包，主动关闭端接到重发的FIN包后可以再发一个ACK应答包。在TIME_WAIT状态时两端的端口不能使用，要等到2MSL时间结束才可以继续使用。当连接处于2MSL等待阶段时任何迟到的报文段都将被丢弃。

2.client发送完最后一个ack之后，进入time_wait状态，但是他怎么知道server有没有收到这个ack呢？莫非sever也要等待一段时间，如果收到了这个ack就close，如果没有收到就再发一个fin给client？这么说server最后也有一个time_wait哦？求解答！

因为网络原因，主动关闭的一方发送的这个ACK包很可能延迟，从而触发被动连接一方重传FIN包。极端情况下，这一去一回，就是两倍的MSL时长。如果主动关闭的一方跳过TIME_WAIT直接进入CLOSED，或者在TIME_WAIT停留的时长不足两倍的MSL，那么当被动关闭的一方早先发出的延迟包到达后，就可能出现类似下面的问题：1.旧的TCP连接已经不存在了，系统此时只能返回RST包2.新的TCP连接被建立起来了，延迟包可能干扰新的连接，这就是为什么time_wait需要等待2MSL时长的原因。

3.为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手？

因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，"你发的FIN报文我收到了"。只有等到我Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。