TCP协议和TCP连接

一、TCP协议的简介
二、TCP连接的简介
- 1、TCP连接的建立（TCP三次握手）
- 2、TCP连接的断开（TCP四次挥手）

一、TCP协议的简介

TCP（Transmission Control Protocol）传输控制协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。当客户和服务器彼此交换数据前，必须先在双方之间建立一个TCP连接之后才能传输数据。TCP提供超时重发、丢弃重复数据、流量控制等功能，保证数据能从一端传输到另一端。

IP数据报（IP数据包）由首部和数据两部分组成。

IP数据报的数据部分封装了一个TCP报文段。

TCP报文段分为首部和数据两部分。

TCP首部：

TCP首部由 20字节的固定长度和可变长字段（选项和填充）组成，因此TCP首部的最小长度是20字节。

（1）源端口和目标端口

源端口：写入源端口号，用来标识发送该TCP报文段的应用进程。

目标端口：写入目的端口号，用来标识接收该TCP报文段的应用进程。

表示数据是从源端口通过什么协议发送出来的，目的对端需要通过什么协议来进行处理。

例如：

http端口 80 --tcp的80端口;

https端口 443 --包裹了一层SSL协议进行加密 --tcp的443端口;

ssh端口 22;

（2）序号和确认号（确保可靠性传输）

序号seq：每个数据包都对应着一个序列号。在一个TCP连接中传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号。该字段表示本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。例如，一报文段的序号是101，共有100字节的数据。这就表明：本报文段的数据的第一个字节的序号是 101，最后一个字节的序号是 200。显然，下一个报文段的数据序号应当从 201 开始，即下一个报文段的序号字段值应为201。

确认号ack：每发送一个数据包都需要收到对应的确认包，确认号=序号+1。确认序列号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号。

（3）窗口（确保可靠性传输）：滑动窗口，滑动窗口是操作系统开辟的一块缓存空间，发送方在收到接收方ACK应答之前，必须在缓冲区保留已发送的数据，如果按期收到确认应答，数据就可以从缓冲区移除。窗口大小就是指无需等待ACK可以继续发送数据的最大值。

报文中的win32代表接收窗口的大小，即表示这个包的发送方当前还有多少缓存区可以接收数据。

（4）SYN、FIN、RST、ACK、PSH、URG标志位

SYN：发送/同步标志位（连接请求或者接受连接请求），用来建立连接，和ACK标志位搭配使用。连接开始时，SYN=1，ACK=0，代表连接开始但是未获得响应。当连接被响应的时候，标志位会发生变化，其中ACK会置为1，代表确认收到连接请求，此时的标志位变成了 SYN=1，ACK=1。

ACK：确认标记位，表示当前报文是一个确认包。（当标志位设置为1）

FIN：结束标志位，连接结束，断开链接，用于结束一个TCP会话。（当标志位设置为1）

RST：重置复位标志位，重置链接，用于复位对应的TCP连接。表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立运输连接。（当标志位设置为1）

PSH：催促标志位，表示推送操作，就是指数据包到达接收端以后，不对其进行队列处理，而是尽可能的将数据交给应用程序处理。一般发送情况下是等待缓冲区满后再交付。（当标志位设置为1）

URG：紧急标志位，将紧急数据排在普通数据的前面，用于保证TCP连接不被中断，并且督促中间层设备尽快处理。（当标志位设置为1）

Flags标识符:

[S] : SYN (开始连接)
[P] : PSH (推送数据)
[F] : FIN (结束连接)
[R] : RST (重置连接)
[.] : 没有Flag (表示除上面四种类型外的其他情况，有可能是ACK也有可能是URG)

（5）紧急指针：仅在URG=1时才有意义，它指出本报文段中的紧急数据的字节数。

（6）检验和：用于验证TCP首部和TCP数据，强制字段，由发送端计算和存储，并由接收端进行验证。校验和错误的分组丢弃（因为源IP地址、源端口号或者协议字段可能被破坏）。

（7）数据偏移：表示数据开始的地方离TCP段的起始处有多远，实际上就是TCP段首部的长度。由于首部长度不固定，因此数据偏移字段是必要的。

（8）保留：为将来定义新的用途保留，当前置为0。

（9）选项和填充：

TCP规范中定义的选项是选项表结束、无操作、最大报文段长度、串口扩大因子、时间戳。

最常见的可选字段是最长报文大小，又称为MSS（Maximum Segment Size），每个连接方通常都在通信的第一个报文段（为建立连接而设置SYN标志为1的那个段）中指明这个选项，它表示本端所能接受的最大报文段的长度。

选项用于提高 TCP 的传输性能，是可变长的可选信息，最多包含 40 字节。

选项长度不一定是32位的整数倍，所以要加填充位，以保证TCP头是32的整数倍。

TCP数据部分：

TCP报文段中的数据部分是可选的。在一个连接建立和一个连接终止时，双方交换的报文段仅有TCP首部。如果一方没有数据要发送，也使用没有任何数据的首部来确认收到的数据。在处理超时的许多情况，也会发送不带任何数据的报文段。

二、TCP连接的简介

1、TCP连接的建立（TCP三次握手）

三次握手（Three-way Handshake），是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务器之间总共发送3个包。

三次握手的目的是连接服务器指定端口，建立TCP连接，同步连接双方的顺序号和确认号并交换TCP信息。

第一次握手

客户端发送 位码为SYN=1、随机产生seq=x的数据包 到服务器端，服务器端由数据包中的SYN=1知道客户端要求建立联机；
第二次握手

服务器端收到请求后要确认联机信息，向客户端发送 位码为SYN=1和ACK=1、随机产生seq=y、ack=(客户端请求连接时的seq)+1的数据包，代表接收到连接请求并且向客户端再次确认；
第三次握手

客户端收到后检查ack是否正确，即第一次发送的seq+1，以及位码ACK是否为1，代表收到了服务器端发过来的确认信息。之后客户端Client会再向服务器发送 位码为ACK=1、seq=x+1、ack=(服务器端的seq+1)的数据包，服务器Server收到后确认ack值与ACK=1，连接建立成功。

例如：

第一次握手 - 客户端发送的数据包：seq=811714921、SYN=1

第二次握手 - 服务器端发送的数据包：seq=4262823974、ack=811714922、SYN=1、ACK=1

第三次握手 - 客户端发送的数据包：seq=811714922、ack=4262823975、ACK=1

2、TCP连接的断开（TCP四次挥手）

四次挥手（Four-Way Wavehand），即终止TCP连接，是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端之间总共发送4个包以确认连接的断开。

客户端和服务器端都处于ESTABLISHED（连接状态）。

第一次挥手

1.客户端的应用进程先向其TCP发出连接释放报文段，并停止发送数据，主动关闭TCP连接。释放报文段首部的终止位FIN=1、序号seq=m（m等于前面已传送过的数据的最后一个字节的序号加1）。这时，客户端进程进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态，等待服务器端的确认。

注：TCP规定FIN=1的报文段即使不携带数据，也会消耗掉一个序号。

第二次挥手

2.服务器端收到连接释放报文后，立即发出确认报文，确认号ack=m+1、序号seq=n（n等于服务器进程前面已传送过的数据的最后一个字节的序号加1）。这时，服务器进程进入CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。

注：TCP服务进程这时应通知高层应用进程，从客户端到服务器端这个方向的连接释放了，这时的TCP连接处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但服务器端若发送数据，客户端仍要接收。也就是说，从服务器端到客户端这个方向的连接并未关闭，这个状态可能会持续一段时间。

3.客户端收到来自服务器端的确认后，就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器端发出的连接释放报文段（在这之前还需要接受服务器Server发送的最后的数据）。

第三次挥手

4.若服务器端已经没有要向客户端发送的数据，其应用进程就通知TCP释放连接。服务器端发出的连接释放报文段终止位FIN=1，假定序号为p（在半关闭状态服务器端可能又发送了一些数据），重复上次发送数据包的确认号ack=m+1。这时，服务器进程进入LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。

第四次挥手

5.客户端收到服务器端的连接释放报文段后，对此发出确认。确认报文段中确认位ACK=1、确认号ack=p+1、序号seq=m+1。然后客户端进入TIME-WAIT（时间等待）状态，必须经过时间等待计时器设置的时间2MSL后，客户进程才进入CLOSED状态，当撤销相应的传输控制块TCB后，就结束了这次的TCP连接。

注：时间MSL（Maximum Segment Lifetime）叫做最长报文段寿命。规定是MSL为2分钟，2MSL就是4分钟，但是实际中30秒、1分钟、2分钟都在使用。

6.服务器端只要受到了客户端的确认后，就进入CLOSED状态。在服务器端撤销相应的传输控制块TCB后，就结束了这次的TCP连接。

注：服务器端结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

例子：

第一次挥手 - 客户端发送的数据包：seq=4262827060、ack=811717408、FIN=1、ACK=1

第二次挥手 - 服务器端发送的数据包：seq=811717408、ack=4262827061、ACK=1

第三次挥手 - 服务器端发送的数据包：seq=811717408、ack=4262827061、FIN=1、ACK=1

第四次挥手 - 客户端发送的数据包：seq=4262827061、ack=811717409、ACK=1

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