一 .tcp協議的通信

tcp的通信過程分為三個步驟：建立TCP連接通道，傳輸數據，斷開TCP連接通道

下圖為tcp的通信過程示意圖：

建立tcp連接通道：三次握手

斷開tcp連接通道：四次揮手

二.詳解三次握手和四次揮手

三次握手建立連接：

第一次握手：客戶端發送tcp報文到服務器，其中syn標志位1，seq=x(x為A的初始序列號，隨機數)，然后啟動計時器，等待接收服務器的應答。該報文段成為SYN報文段，不攜帶任何數據，但是消耗一個序列號。

第二次握手：服務器收到客戶端的tcp連接請求后，向客戶端發出應答報文，其中SYN標志和ASK都為零，序列號為y(y為服務端的初始序列號，隨機數)，確認號為x+1，服務端也啟動計時器，等待接收客戶端的應答。這里的服務器發送給客戶端的報文段稱為SYN+ASK報文段，它不攜帶任何數據，但是消耗一個序列號。

第三次握手：客戶端收到服務器的SYN+ACK包，向服務器發送確認包ACK(ack=y+1)，此包發送完畢，客戶端和服務器進入ESTABLISHED狀態，完成三次握手。

握手過程中傳送的包里不包含數據，三次握手完畢后，客戶端與服務器才正式開始傳送數據。理想狀態下，TCP連接一旦建立，在通信雙方中的任何一方主動關閉連接之前，TCP 連接都將被一直保持下去。

傳輸數據過程：

a.超時重傳

超時重傳機制用來保證TCP傳輸的可靠性。每次發送數據包時，發送的數據報都有seq號，接收端收到數據后，會回復ack進行確認，表示某一seq號數據已經收到。發送方在發送了某個seq包后，等待一段時間，如果沒有收到對應的ack回復，就會認為報文丟失，會重傳這個數據包。

b.快速重傳

接受數據一方發現有數據包丟掉了。就會發送ack報文告訴發送端重傳丟失的報文。如果發送端連續收到標號相同的ack包，則會觸發客戶端的快速重傳。比較超時重傳和快速重傳，可以發現超時重傳是發送端在傻等超時，然后觸發重傳;而快速重傳則是接收端主動告訴發送端數據沒收到，然后觸發發送端重傳。

c.流量控制

這里主要說TCP滑動窗流量控制。TCP頭里有一個字段叫Window，又叫Advertised-Window，這個字段是接收端告訴發送端自己還有多少緩沖區可以接收數據。於是發送端就可以根據這個接收端的處理能力來發送數據，而不會導致接收端處理不過來。 滑動窗可以是提高TCP傳輸效率的一種機制。

d.擁塞控制

滑動窗用來做流量控制。流量控制只關注發送端和接受端自身的狀況，而沒有考慮整個網絡的通信情況。擁塞控制，則是基於整個網絡來考慮的。考慮一下這樣的場景：某一時刻網絡上的延時突然增加，那么，TCP對這個事做出的應對只有重傳數據，但是，重傳會導致網絡的負擔更重，於是會導致更大的延遲以及更多的丟包，於是，這個情況就會進入惡性循環被不斷地放大。試想一下，如果一個網絡內有成千上萬的TCP連接都這么行事，那么馬上就會形成“網絡風暴”，TCP這個協議就會拖垮整個網絡。為此，TCP引入了擁塞控制策略。擁塞策略算法主要包括：慢啟動，擁塞避免，擁塞發生，快速恢復。

四次握手斷開連接：(以下的w，u，v均屬於隨機數)

第一次揮手：主動關閉方發送一個FIN=1，序號為seq=u，用來關閉主動方到被動關閉方的數據傳送，也就是主動關閉方告訴被動關閉方：我已經不會再給你發數據了(當然，在fin包之前發送出去的數據，如果沒有收到對應的ack確認報文，主動關閉方依然會重發這些數據)，但此時主動關閉方還可以接受數據。

第二次揮手：被動關閉方收到FIN包(即收到對方的釋放請求)后，發送一個ACK(確認報文)給對方，標志ASK=1，序號為seq=1，確認序號為收到序號u+1。

第三次揮手：被動關閉方接收到應用程序關閉的信息，向主動關閉方發送一個確認報文，FIN =1，ASK=1，序號為seq=w，確認序號為收到序號u+1。用來關閉被動關閉方到主動關閉方的數據傳送，也就是告訴主動關閉方，我的數據也發送完了，不會再給你發數據了。

第四次揮手：主動關閉方收到確認報文后像被動方發出確認報文，標志位ACK=1，序列號為seq=v+1,確認序號為收到序號即w+1，至此，完成四次揮手。

鏈接時要三次握手的理由

為了防止已失效的連接請求報文段突然又傳送到了服務端，因而產生錯誤。

例如：

“已失效的連接請求報文段”的產生在這樣一種情況下：client發出的第一個連接請求報文段並沒有丟失，而是在某個網絡結點長時間的滯留了，以致延誤到連接釋放以后的某個時間才到達server。本來這是一個早已失效的報文段。但server收到此失效的連接請求報文段后，就誤認為是client再次發出的一個新的連接請求。於是就向client發出確認報文段，同意建立連接。假設不采用“三次握手”，那么只要server發出確認，新的連接就建立了。由於現在client並沒有發出建立連接的請求，因此不會理睬server的確認，也不會向server發送數據。但server卻以為新的運輸連接已經建立，並一直等待client發來數據。這樣，server的很多資源就白白浪費掉了。采用“三次握手”的辦法可以防止上述現象發生。例如剛才那種情況，client不會向server的確認發出確認。server由於收不到確認，就知道client並沒有要求建立連接。”。主要目的防止server端一直等待，浪費資源。

為什么在連接時要三次握手在斷開時卻要四次揮手

因為當Server端收到Client端的SYN連接請求報文后，可以直接發送SYN+ACK報文。其中ACK報文是用來應答的，SYN報文是用來同步的。但是關閉連接時，當Server端收到FIN報文時，很可能並不會立即關閉SOCKET，所以只能先回復一個ACK報文，告訴Client端，”你發的FIN報文我收到了”。只有等到我Server端所有的報文都發送完了，我才能發送FIN報文，因此不能一起發送。故需要四步握手。

四次握手時，TIME_WAIT出現的理由

1.可靠地實現TCP全雙工連接的終止。

TCP協議在關閉連接的四次握手過程中，最終的ACK是由主動關閉連接的一端(后面統稱A端)發出的，如果這個ACK丟失，對方(后面統稱B端)將重發出最終的FIN，因此A端必須維護狀態信息(TIME_WAIT)允許它重發最終的ACK。如果A端不維持TIME_WAIT狀態，而是處於CLOSED 狀態，那么A端將響應RST分節，B端收到后將此分節解釋成一個錯誤(在java中會拋出connection reset的SocketException)。

因而，要實現TCP全雙工連接的正常終止，必須處理終止過程中四個分節任何一個分節的丟失情況，主動關閉連接的A端必須維持TIME_WAIT狀態 。

2.允許老的重復分節在網絡中消逝。

TCP分節可能由於路由器異常而“迷途”，在迷途期間，TCP發送端可能因確認超時而重發這個分節，迷途的分節在路由器修復后也會被送到最終目的地，這個遲到的迷途分節到達時可能會引起問題。在關閉“前一個連接”之后，馬上又重新建立起一個相同的IP和端口之間的“新連接”，“前一個連接”的迷途重復分組在“前一個連接”終止后到達，而被“新連接”收到了。為了避免這個情況，TCP協議不允許處於TIME_WAIT狀態的連接啟動一個新的可用連接，因為TIME_WAIT狀態持續2MSL，就可以保證當成功建立一個新TCP連接的時候，來自舊連接重復分組已經在網絡中消逝。

為什么TIME_WAIT狀態需要經過2MSL(最大報文段生存時間)才能返回到CLOSE狀態？

雖然按道理，四個報文都發送完畢，我們可以直接進入CLOSE狀態了，但是我們必須假象網絡是不可靠的，有可以最后一個ACK丟失。所以TIME_WAIT狀態就是用來重發可能丟失的ACK報文。