TCP?

TCP 的基本認(rèn)識

TCP 中文又被稱之為傳輸控制協(xié)議，它是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。這個特性的解釋如下：

• 面向連接的：面向連接也就是說一對一才能連接。

• 可靠的：無論網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了什么變化，TCP都能保證一個報文一定能夠到達(dá)接收端

• 字節(jié)流：消息是沒有邊界的，所以無論消息有多大都可以進(jìn)行傳輸

學(xué)習(xí)過網(wǎng)絡(luò)的朋友就知道，對于一個協(xié)議來說，往往會分成多個層，層與層之間解耦，對于 TCP 傳輸控制層協(xié)議來講，它也是這樣的，下面是 TCP 協(xié)議的一個結(jié)構(gòu)示意圖：

可以看到，TCP 的應(yīng)用層就對應(yīng)著?OSI?參考模型的應(yīng)用層、表示層、會話層，傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層是一一對應(yīng)的，然后緊接著是網(wǎng)絡(luò)接口層，網(wǎng)絡(luò)接口層對應(yīng)著?OSI參考模型的?數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。在說了?TCP/IP?的分層模型，緊接著來介紹下 TCP 的頭部格式，它的頭部格式如下所示：

上圖就是針對于 TCP 頭部的一個示意圖，下面對于幾個概念進(jìn)行解釋：

• 序列號：用來解決網(wǎng)絡(luò)的亂序問題

• 確認(rèn)應(yīng)答號：指下一次期望收到的數(shù)據(jù)的序列號，用來解決不丟包的問題

• 控制位：

• ACK: 該位為 1 時，確認(rèn)應(yīng)答的字段變?yōu)橛行В琓CP規(guī)定除了最初建立連接時的 SYN 包之外該位必須設(shè)置為 1

• RST：該位為 1 時，表示 TCP 連接中出現(xiàn)異常必須強(qiáng)制斷開連接

• SYN: 該位為 1 時，表示期望建立連接，并在其序列號的字段進(jìn)行序列號初始值的設(shè)定

• FIN ：該位為 1 時，表示今后不再有數(shù)據(jù)發(fā)送，希望斷開連接。

那對于 TCP 來說，什么叫做連接呢，什么樣子才說是兩臺設(shè)備已經(jīng)連接起來了呢？簡單來說，也就是用于保證可靠性和流量控制維護(hù)的某些狀態(tài)信息，這些信息的組合，包括 Socket、序列號和窗口大小稱之為連接。那么 TCP 建立一個連接，那么就需要客戶端和服務(wù)器端達(dá)成一個共識，共識的內(nèi)容就包括：

• Socket：由?IP?地址和端口號組成

• 序列號：用來解決亂序問題

• 窗口大?。河脕碜隽髁靠刂?/span>

那么又該如何確定一個連接呢？就是說是哪臺設(shè)備中的哪個進(jìn)程與哪臺設(shè)備中哪個進(jìn)程進(jìn)行通信，需要如下幾個信息：

• 源地址

• 源端口號

• 目標(biāo)地址

• 目標(biāo)端口號

TCP 的運(yùn)輸連接

在前文中敘述了 TCP 是面向連接的協(xié)議，它是基于傳輸連接來傳送 TCP 報文段，TCP 傳輸連接的建立和釋放是每一次面向連接的通信中必不可少的過程，TCP 的運(yùn)輸連接主要有以下三個階段：

• 建立 TCP 連接

• 數(shù)據(jù)傳送

• 釋放 TCP 連接

上述就是 TCP 運(yùn)輸連接的一個基本過程，基于此，我們來依次對這幾種過程進(jìn)行剖析。

TCP 建立連接

TCP 建立連接要解決的是以下三個問題：

• 使得 TCP 雙方能夠確知對方的存在；

• 使得 TCP 雙方能夠協(xié)商一些參數(shù)（如最大窗口值、是否使用窗口擴(kuò)大選項(xiàng)和時間戳選項(xiàng)以及服務(wù)質(zhì)量等）；

• 使得 TCP 雙方能夠?qū)\(yùn)輸實(shí)體資源（如緩存大小、連接表中的項(xiàng)目等）進(jìn)行分配

那么建立連接的過程主要如下圖所示：

根據(jù)上圖所示，我們可以看到 TCP 建立連接時的一個基本流程：

首先：TCP服務(wù)器進(jìn)程首先創(chuàng)建傳輸控制塊，用來傳輸 TCP 連接中的一些重要信息：TCP連接表，指向發(fā)送和接收緩存的指針，指向重傳隊(duì)列的指針，當(dāng)前發(fā)送和接收序號等等。。。之后呢，準(zhǔn)備接受TCP客戶進(jìn)程的連接請求，此時，TCP服務(wù)進(jìn)程就進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)，等待 TCP 進(jìn)程的連接請求，需要注意的是作為 TCP 服務(wù)端，這里是被動打開連接。

其次：，對應(yīng)著第一個箭頭，SYN=1,seq=x。TCP 客戶端進(jìn)程首先創(chuàng)建傳輸控制塊，然后，在打算建立連接時，向TCP服務(wù)器進(jìn)程發(fā)送TCP連接請求報文段，并進(jìn)入同步已經(jīng)發(fā)送狀態(tài)。TCP連接請求報文段首部中的同步位SYN被設(shè)置為1，也就表明這是一個 TCP 連接請求報文段，序號字段 seq 被設(shè)置了一個初始值，作為 TCP 客戶進(jìn)程所選擇的初始序號，（這里要注意的是：TCP規(guī)定 SYN 設(shè)置為 1 的報文段不能夠攜帶數(shù)據(jù) ，但是要消耗掉一個序號，由于 TCP 連接建立是由 TCP 客戶端主動發(fā)起的，因此稱之為主動打開連接）

緊接著：，對應(yīng)著第二個箭頭，SYN=1 ACK=1 seq=y ack=x 1。TCP 服務(wù)端如果同意客戶端建立連接，則向 TCP 客戶端進(jìn)程發(fā)送 TCP 連接請求確認(rèn)報文段，并進(jìn)入同步已經(jīng)接收狀態(tài)

最后：，TCP 客戶端收到連接請求確認(rèn)報文段之后，還需要向 TCP 服務(wù)進(jìn)程發(fā)送一個普通的 TCP 確認(rèn)報文段，并進(jìn)入連接已建立狀態(tài)。該報文是?ACK=1 seq=x 1 ack=y 1,也就表明這是一個普通的 TCP 確認(rèn)報文段。（普通的 TCP 確認(rèn)報文段可以攜帶數(shù)據(jù)，但是如果說當(dāng)前的 TCP 確認(rèn)報文段不攜帶數(shù)據(jù)，那么也就不消耗數(shù)據(jù)報文段的序號，也就是說下一個數(shù)據(jù)報文段的序號還是 x 1），當(dāng) TCP 服務(wù)端收到這個普通認(rèn)報文段之后，TCP服務(wù)端也進(jìn)入連接已建立狀態(tài)，這時 TCP 客戶端和 TCP 服務(wù)端都進(jìn)入了連接已經(jīng)建立狀態(tài)，就可以開始傳輸數(shù)據(jù)了。

上述就是一個三次報文握手建立連接的一個過程，那么分析到這里，就出現(xiàn)了一個問題，就是說當(dāng) TCP 服務(wù)端發(fā)送連接請求確認(rèn)報文段之后，當(dāng) TCP 客戶端收到這個報文，難么就進(jìn)入連接已建立狀態(tài)了，這個時候直接發(fā)送數(shù)據(jù)不就行了，為什么還要再次發(fā)送一個 TCP 普通確認(rèn)報文段呢？這是為什么？

要解釋這個問題，那首先假設(shè)當(dāng)前 TCP 建立連接采用的是兩報文握手連接，那么在 TCP 客戶端發(fā)送連接請求報文段之后，TCP 服務(wù)器接收到連接請求報文段就進(jìn)入連接已經(jīng)建立狀態(tài)，進(jìn)一步 TCP 服務(wù)端發(fā)送連接請求確認(rèn)報文段，這個時候，TCP 客戶端收到報文之后，就也進(jìn)入連接已經(jīng)建立狀態(tài)。然后，基于此，我們來看下面這樣一個情況：

如上圖所示，由于 TCP 客戶端發(fā)送的第一個連接請求報文段沒有能夠成功發(fā)送出去，TCP 服務(wù)端沒有能夠接收到這個報文段，這個時候，TCP客戶端又重新發(fā)起了一個連接請求報文段，依據(jù)剛剛所說的過程，TCP 服務(wù)器在接收到這個報文段之后，就進(jìn)入了連接已經(jīng)建立狀態(tài)，緊接著，客戶端也進(jìn)入了連接已經(jīng)建立狀態(tài)，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了，但是，這個時候，由于之前的 TCP 連接請求報文發(fā)送失敗，導(dǎo)致的超時重傳，在TCP已經(jīng)釋放連接的時候，TCP 客戶端收到連接請求報文段，進(jìn)入連接已經(jīng)建立狀態(tài)，但是這個時候?qū)τ?TCP 客戶端來說，它已經(jīng)關(guān)閉連接了，無法進(jìn)入連接已經(jīng)建立狀態(tài)，這樣也就會導(dǎo)致 TCP 服務(wù)器白白的在干等，在浪費(fèi)資源。

這也就是為什么采用三次報文握手，而不采用兩次報文握手的原因。

TCP 釋放連接

數(shù)據(jù)傳輸完畢之后，TCP雙方都可以釋放連接，現(xiàn)在 TCP 客戶進(jìn)程和 TCP 服務(wù)進(jìn)程都處于連接已建立狀態(tài)，如果使用 TCP 客戶進(jìn)程中的應(yīng)用進(jìn)程通知其主動關(guān)閉 TCP 連接，TCP 客戶進(jìn)程會發(fā)送 TCP 連接釋放報文段，并進(jìn)入終止等待1狀態(tài)。發(fā)送的報文稱之為是 TCP 釋放報文段，這里需要注意的是 FIN == 1 的報文段即使不攜帶數(shù)據(jù)，也要消耗掉一個序號。

當(dāng) TCP 服務(wù)端收到來自 TCP 客戶端的釋放報文段的時候，會發(fā)送一個普通的 TCP 確認(rèn)報文段并進(jìn)入關(guān)閉等待狀態(tài)，具體過程如下圖所示：

這個時候，TCP 服務(wù)段進(jìn)程要通知高層應(yīng)用進(jìn)程TCP客戶端要斷開與自己的連接，這個時候 TCP 客戶端的連接已經(jīng)斷開了，也就是 TCP 客戶進(jìn)程已經(jīng)沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送了，但是TCP 服務(wù)器進(jìn)程如果還有數(shù)據(jù)要發(fā)送，TCP 客戶進(jìn)程仍然要接收，那么也就是說從 TCP 服務(wù)進(jìn)程到 TCP 客戶進(jìn)程這個反向的連接還沒有關(guān)閉，這個狀態(tài)可能會持續(xù)一段時間，當(dāng)前的 TCP 連接處于半斷開連接。

當(dāng) TCP 客戶端進(jìn)程收到來自TCP服務(wù)端進(jìn)程的確認(rèn)報文段之后，就進(jìn)入終止等待 2 狀態(tài)，等待 TCP 服務(wù)器進(jìn)程發(fā)出的 TCP 連接釋放報文段，如果處在 TCP 服務(wù)器中的應(yīng)用進(jìn)程已經(jīng)沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送了，那么應(yīng)用進(jìn)程就通知 TCP 服務(wù)器進(jìn)程釋放連接，TCP 服務(wù)器進(jìn)程發(fā)送 TCP 連接釋放報文段并進(jìn)入最后確認(rèn)狀態(tài)

在 TCP 客戶端進(jìn)程接收到 TCP 服務(wù)端進(jìn)程的連接釋放報文段之后，必須針對該報文段發(fā)送普通的 TCP 確認(rèn)報文段，之后進(jìn)入時間等待狀態(tài)：

在 TCP 服務(wù)器進(jìn)程收到TCP客戶端進(jìn)程發(fā)送過來的普通TCP確認(rèn)報文段之后，就進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，而對于 TCP 客戶端來說，需要經(jīng)過 2MSL 之后才關(guān)閉連接。

其中 MSL 為最長報文壽命。那說到這里，又出現(xiàn)一個問題，也就是說當(dāng) TCP 客戶端發(fā)送 TCP 普通確認(rèn)報文段之后，為什么不直接就進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，而是還需要等待 2MSL 呢，有這個必要么，為了解決這個問題，我們來看如下的解釋，比如說當(dāng)前就不需要進(jìn)行等待了，具體通信過程如下圖所示：

就是說，當(dāng) TCP 服務(wù)器進(jìn)程往 TCP 客戶端進(jìn)程發(fā)送釋放連接報文段的時候，在 TCP 客戶端接受到這個報文，轉(zhuǎn)而 TCP 客戶端發(fā)送普通確認(rèn)報文，但是這個報文就丟失了，而此時 TCP 客戶端進(jìn)程已經(jīng)斷開連接，無法再次發(fā)送普通確認(rèn)報文，TCP 服務(wù)端進(jìn)程沒有收到普通確認(rèn)報文，那么就無法進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，就會抑制超時重傳 TCP 連接釋放報文，出現(xiàn)問題。

綜上所述，也就是說 TCP 客戶端等待 2MSL 的時間是為了能夠使得 TCP 服務(wù)器端進(jìn)程能夠收到最后一個 TCP 確認(rèn)報文段而進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài) 。對于另外一個原因，等待 2MSL 才關(guān)閉也能夠使得本次連接持續(xù)時間內(nèi)所產(chǎn)生的所有報文段都從網(wǎng)絡(luò)中消失，這樣就可以使得笑一個 TCP 連接中，不會出現(xiàn)舊連接的報文段。以上就是 TCP 通過“四報文揮手”釋放連接的過程。

小結(jié)

上述就是關(guān)于 TCP 運(yùn)輸連接的一個基本內(nèi)容闡述，詳細(xì)論述了 TCP 三次報文揮手建立連接以及四次報文揮手釋放連接的詳細(xì)過程，當(dāng)然 TCP 還有其他內(nèi)容，剩下的下一期再進(jìn)行闡述吧~