TCP 连接

• TCP是一种面向连接的单播协议，在发送数据前，通信双方必须在彼此间建立一条连接，所谓的"连接”，其实是客户端和服务器的内存里保存的一份关于对方的信息，如ip地址，端口号等。
• TCP可以看成是一种字节流，它会处理IP层或以下的层的丢包，重复以及错误问题，在连接的建立过程中，双方需要交换一些连接的参数，这些参数可以放在TCP头部。
• TCP提供了一种可靠，面向连接，字节流，传输层的服务，采用三次握手建立一个连接，采用4次挥手来关闭一个连接。

TCP头部

• 源端口和目的端口在TCP层确定双方进程，序列号表示的是报文段数据中的第一个字节号，ACK表示确认号，该确认号的发送方期待接收的下一个序列号，即最后被成功接收的数据字节序列号加1，这个字段只有在ACK位被启用的时候才有效。
• 当新建一个连接时，从客户端发送到服务端的第一个报文段的SYN位被启用，这称为SYN报文段，这时序列号字段包含了在本次连接的这个方向上要使用的第一个序列号，即初始序列号ISN，之后发送的数据是ISN加1，因此SYN位字段会消耗一个序列号，这意味着使用重传进行可靠传输，而不消耗序列号的ACK则不是。
• 头部长度（图中的数据偏移）以32位字为单位，也就是以4bytes为单位，它只有4位，最大为15，因此头部最大长度为60字节，而其最小为5，也就是头部最小为20字节（可变选项为空）
• ACK：确认，使得确认号有效。
• RST：重置连接（经常看到的reset by peer）就是此字段导致的。
• SYN：用于初如化一个连接的序列号。
• FIN：该报文段的发送方已经结束向对方发送数据。
• 当一个连接被建立或被终止时，交换的报文段只包含TCP头部，而没有数据。

状态转换

• 三次握手和四次挥手的状态转换如下图。

三次握手

• 最开始的时候客户端和服务器都是处于CLOSED状态，主动打开连接的为客户端，被动打开连接的是服务器。

1. TCP服务器进程先创建传输控制块TCB，时刻准备接受客户进程的连接请求，此时服务器就进入了LISTEN（监听）状态。
2. TCP客户进程也是先创建传输控制块TCB，然后向服务器发出连接请求报文，这是报文首部中的同部位SYN=1，同时选择一个初始序列号 seq=x，此时，TCP客户端进程进入了 SYN-SENT（同步已发送状态）状态，TCP规定，SYN报文段（SYN=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号。
3. TCP服务器收到请求报文后，如果同意连接，则发出确认报文，确认报文中应该 ACK=1,SYN=1，确认号是ack=x+1，同时也要为自己初始化一个序列号 seq=y，此时，TCP服务器进程进入了SYN-RCVD（同步收到）状态，这个报文也不能携带数据，但是同样要消耗一个序号。
4. TCP客户进程收到确认后，还要向服务器给出确认，确认报文的ACK=1,ack=y+1，自己的序列号seq=x+1，此时，TCP连接建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态，TCP规定，ACK报文段可以携带数据，但是如果不携带数据则不消耗序号。
5. 当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态，此后双方就可以开始通信了。

为什么TCP客户端最后还要发送一次确认呢？

• 主要防止已经失效的连接请求报文突然又传送到了服务器，从而产生错误。
• 如果使用的是两次握手建立连接，假设有这样一种场景，客户端发送了第一个请求连接并且没有丢失，只是因为在网络结点中滞留的时间太长了，由于TCP的客户端迟迟没有收到确认报文，以为服务器没有收到，此时重新向服务器发送这条报文，此后客户端和服务器经过两次握手完成连接，传输数据，然后关闭连接，此时此前滞留的那一次请求连接，网络通畅了到达了服务器，这个报文本该是失效的，但是，两次握手的机制将会让客户端和服务器再次建立连接，这将导致不必要的错误和资源的浪费。
• 如果采用的是三次握手，就算是那一次失效的报文传送过来了，服务端接受到了那条失效报文并且回复了确认报文，但是客户端不会再次发出确认，由于服务器收不到确认，就知道客户端并没有请求连接。

四次挥手

• 数据传输完毕后，双方都可释放连接，最开始的时候，客户端和服务器都是处于ESTABLISHED状态，然后客户端主动关闭，服务器被动关闭。

1. 客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据，释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1)，此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态，TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
2. 服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1,ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态，TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受，这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
3. 客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）
4. 服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1,ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
5. 客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1,ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态，注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗ *∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
6. 服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态，同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接，可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

为什么客户端最后还要等待2MSL？

• MSL(Maximum Segment Lifetime),TCP允许不同的实现可以设置不同的MSL值。
• 第一，保证客户端发送的最后一个ACK报文能够到达服务器，因为这个ACK报文可能丢失，站在服务器的角度看来，我已经发送了FIN+ACK报文请求断开了，客户端还没有给我回应，应该是我发送的请求断开报文它没有收到，于是服务器又会重新发送一次，而客户端就能在这个2MSL时间段内收到这个重传的报文，接着给出回应报文，并且会重启2MSL计时器。
• 第二，防止类似与"三次握手”中提到了的"已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中，客户端发送完最后一个确认报文后，在这个2MSL时间中，就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失，这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文。

为什么建立连接是三次握手，关闭连接确是四次挥手呢？

• 建立连接的时候，服务器在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时，服务器收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，而自己也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即关闭，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送，从而导致多了一次。