TCP协议相关知识汇总

一、TCP/IP协议:

TCP/IP： 是互联网相关的各类协议族的总称，比如：TCP，UDP，IP，FTP，HTTP，ICMP，SMTP 等都属于 TCP/IP 族内的协议。

TCP负责发现传输中的问题，一有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地。TCP是一个端到端的面向连接的协议。所以HTTP在开始传输之前，首先需要建立TCP连接，而TCP连接的过程需要所谓的“三次握手”。
IP是给因特网的每一台联网设备规定一个地址。

1、TCP三次握手

所谓的三次握手即TCP连接的建立。这个连接必须是一方主动打开，另一方被动打开的。首先TCP报文格式简介如图：

重要字段解释：

序号（Seq）：用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流，发起方发送数据时对此进行标记。
确认号（ack）：只有ACK标志位为1时，确认序号字段才有效，ack=Seq+1。
ACK标志位：确认序号有效。
SYN标志位：发起一个新连接。
FIN标志位：释放一个连接。

以下为客户端主动发起连接的图解：

第一次握手： 客户端主动发起连接请求：发送SYN=1， Seq=x（x一般为1，表示发送了一个序列号为x的数据）。
第二次握手： 服务器端此时结束监听，接收到客户端的连接请求并同意连接：发送SYN=1，ACK=1（表示服务器端收到客户端想要连接的请求），Seq=y，ack=x+1（表示是在收到客户端报文的基础上，将其序号Seq值加1作为本段报文确认号Ack的值）。
第三次握手： 客户端结束SYN-SENT阶段，进入ESTAB-LISHED阶段，并发送报文给服务器端：ACK=1，表示客户端收到服务器端确认收到自己发送连接的请求，Seq=x+1（收到服务器端确认号ack，并将其作为自己的序号值）,ack=y+1（收到服务器的Seq，将Seq+1作为自己的ack）。

2、TCP四次挥手

第一次挥手： 客户端想要释放连接，向服务器端发送一段TCP报文，其中：FIN=1，Seq=U；随后客户端进入FIN-WAIT-1阶段，即半关闭阶段。并且停止在客户端到服务器端方向上发送数据，但是客户端仍然能接收从服务器端传输过来的数据。
PS：客户端仍然能发送ACK确认报文。
第二次挥手： 服务器端确认客户端想要释放连接，随后服务器端结束ESTABLISHED阶段，进入CLOSE-WAIT阶段（半关闭状态）并返回一段TCP报文：ACK=1（表示服务器端收到客户端想要释放连接的信号），Seq=V，确认号为ack=U+1；随后服务器端开始准备释放服务器端到客户端方向上的连接。客户端收到从服务器端发出的TCP报文之后，确认了服务器收到了客户端发出的释放连接请求，随后客户端结束FIN-WAIT-1阶段，进入FIN-WAIT-2阶段。
前"两次挥手"既让服务器端知道了客户端想要释放连接，也让客户端知道了服务器端了解了自己想要释放连接的请求。于是，可以确认关闭客户端到服务器端方向上的连接了
第三次挥手： 服务器端自从发出ACK确认报文之后，经过CLOSED-WAIT阶段，做好了释放服务器端到客户端方向上的连接准备，再次向客户端发出一段TCP报文：标记位为FIN，ACK，表示“已经准备好释放连接了”，Seq=W，确认号为ack=U+1；随后服务器端结束CLOSE-WAIT阶段，进入LAST-ACK阶段。并且停止在服务器端到客户端的方向上发送数据，但是服务器端仍然能够接收从客户端传输过来的数据（ACK确认报文）。
第四次挥手： 客户端收到从服务器端发出的TCP报文，确认了服务器端已做好释放连接的准备，结束FIN-WAIT-2阶段，进入TIME-WAIT阶段，并向服务器端发送一段报文：标记位为ACK，表示“接收到服务器准备好释放连接的信号”；序号为Seq=U+1，确认号为Ack=W+1。随后客户端开始在TIME-WAIT阶段等待2MSL。

几点思考：

Q：客户端在发送完ACK确认报文之后，为什么会设置一个时长为2MSL的计时器？
A：当客户端发出最后的ACK确认报文时，并不能确定服务器端能够收到该报文，因此需要等一段时间。MSL指的是Maximum Segment Lifetime：一段TCP报文在传输过程中的最大生命周期。2MSL即是服务器端发出为FIN报文和客户端发出的ACK确认报文所能保持有效的最大时长。服务器端在1MSL内没有收到客户端发出的ACK确认报文，就会再次向客户端发出FIN报文；
Q：为什么是四次挥手，不是三次？
A：因为服务端在LISTEN状态下，收到客户端发送的断开连接的FIN报文后，可能会有数据未发送完成，需要继续发送，因此不能将确认消息和请求关闭消息同时发送，而是会先关闭接收服务回复确认消息，然后继续发送未完消息到客户端，直到发送结束，再发送请求关闭消息。

二、TPC滑动窗口机制：

滑动窗口协议的基本原理就是在任意时刻，发送方都维持了一个连续的允许发送的帧的序号，称为发送窗口；同时，接收方也维持了一个连续的允许接收的帧的序号，称为接收窗口。发送窗口和接收窗口的序号的上下界不一定要一样，甚至大小也可以不同。不同的滑动窗口协议窗口大小一般不同。发送方窗口内的序列号代表了那些已经被发送，但是还没有被确认的帧，或者是那些可以被发送的帧。下面举一个例子（假设发送窗口尺寸为2，接收窗口尺寸为1）：

① 初始态，发送方没有帧发出，发送窗口前后沿相重合。接收方0号窗口打开，等待接收0号帧；
② 发送方打开0号窗口，表示已发出0帧但尚确认返回信息。此时接收窗口状态不变；
③ 发送方打开0、1号窗口，表示0、1号帧均在等待确认之列。至此，发送方打开的窗口数已达规定限度，在未收到新的确认返回帧之前，发送方将暂停发送新的数据帧。接收窗口此时状态仍未变；
④ 接收方已收到0号帧，0号窗口关闭，1号窗口打开，表示准备接收1号帧。此时发送窗口状态不变；
⑤ 发送方收到接收方发来的0号帧确认返回信息，关闭0号窗口，表示从重发表中删除0号帧。此时接收窗口状态仍不变；
⑥发送方继续发送2号帧，2号窗口打开，表示2号帧也纳入待确认之列。至此，发送方打开的窗口又已达规定限度，在未收到新的确认返回帧之前，发送方将暂停发送新的数据帧，此时接收窗口状态仍不变；
⑦接收方已收到1号帧，1号窗口关闭，2号窗口打开，表示准备接收2号帧。此时发送窗口状态不变；
⑧发送方收到接收方发来的1号帧收毕的确认信息，关闭1号窗口，表示从重发表中删除1号帧。此时接收窗口状态仍不变。

三、TCP/UDP区别：

UDP协议全称是用户数据报协议，在网络中它与TCP协议一样用于处理数据包。UDP在某些实时性要求高的场景（比如电话会议）较为常用。

面向无连接: UDP 是不需要和 TCP一样在发送数据前进行三次握手建立连接的，想发数据就可以开始发送了。并且UDP不会对数据报文进行任何拆分和拼接操作。
有单播，多播，广播的功能：UDP 不止支持一对一的传输方式，同样支持一对多，多对多，多对一的方式，也就是说 UDP 提供了单播，多播，广播的功能。
UDP是面向报文的：发送方的UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付IP层。UDP对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。因此，应用程序必须选择合适大小的报文。
不可靠性：首先不可靠性体现在无连接上，通信都不需要建立连接，想发就发，这样的情况肯定不可靠。并且收到什么数据就传递什么数据，并且也不会备份数据，发送数据也不会关心对方是否已经正确接收到数据了。再者网络环境时好时坏，但是 UDP 因为没有拥塞控制，一直会以恒定的速度发送数据。即使网络条件不好，也不会对发送速率进行调整。这样实现的弊端就是在网络条件不好的情况下可能会导致丢包，但是优点也很明显，在某些实时性要求高的场景（比如电话会议）就需要使用 UDP 而不是 TCP。
头部开销小，传输数据报文时高效：UDP 的头部开销小，只有八字节，相比 TCP 的至少二十字节要少得多，在传输数据报文时是很高效的。

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