网络协议：TCP三次握手与四次挥手

本篇内容包括：TCP/IP 传输协议（TCP/IP 传输协议简介，IP 协议，UDP 协议，TCP 协议介绍），TCP 的三次握手、TCP 的四次挥手 以及 TCP 协议是怎么保证有效传输等内容。

一、TCP/IP 传输协议

1、TCP/IP 传输协议简介

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议）是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇。TCP/IP 协议不仅仅指的是 TCP 和 IP 两个协议，而是指一个由 FTP、SMTP、TCP、UDP、IP 等协议构成的协议簇， 只是因为在 TCP/IP 协议中 TCP 协议和 IP 协议最具代表性，所以被称为 TCP/IP 协议。

TCP/IP 传输协议是严格来说是一个四层的体系结构，应用层、传输层、网络层和数据链路层都包含其中。

2、关于 IP 协议

IP 协议也就是我们所说的网络层协议，它的主要目的就是将一个 IP 地址的数据发送到另外一个 IP 地址所代表的设备，这两个 IP 地址有可能是隶属于同一个网段，也有可能隶属于不同的网段

IP 协议，制定了一套新地址，使得我们能够区分两台主机是否同属一个网络，这套地址就是网络地址，也就是所谓的 IP 地址。IP 协议将这个 32 位的地址分为两部分，前面部分代表网络地址，后面部分表示该主机在局域网中的地址。如果两个 IP 地址在同一个子网内，则网络地址一定相同。为了判断 IP 地址中的网络地址，IP 协议还引入了子网掩码，IP 地址和子网掩码通过按位与运算后就可以得到网络地址。

3、关于 UDP 协议是什么

UDP 即用户数据报协议，UDP 协议定义了端口，同一个主机上的每个应用程序都需要指定唯一的端口号，并且规定网络中传输的数据包必须加上端口信息，当数据包到达主机以后，就可以根据端口号找到对应的应用程序了。UDP 协议比较简单，实现容易，但它没有确认机制，数据包一旦发出，无法知道对方是否收到，因此可靠性较差，为了解决这个问题，提高网络可靠性，TCP 协议就诞生了。

4、关于 TCP 协议是什么

TCP 即传输控制协议，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，简单来说 TCP 就是有确认机制的 UDP 协议。TCP 数据包和 UDP 一样，都是由首部和数据两部分组成，唯一不同的是，TCP 数据包没有长度限制，理论上可以无限长，但是为了保证网络的效率，通常 TCP 数据包的长度不会超过 IP 数据包的长度，以确保单个 TCP 数据包不必再分割。 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。

一个 TCP 连接由一个 4 元组构成，分别是两个 IP 地址和两个端口号。一个 TCP 连接通常分为三个阶段：连接、数据传输、退出（关闭）。通过三次握手建立一个连接，通过四次挥手来关闭一个连接。

在这里插入图片描述

TCP协议头最少 20 个字节，包括以下的区域：

• TCP 源端口（Source Port）：16 位的源端口其中包含初始化通信的端口。源端口和源IP地址的作用是标示报问的返回地址；
• TCP 目的端口（Destination port）：16 位的目的端口域定义传输的目的。这个端口指明报文接收计算机上的应用程序地址接口；
• TCP 序列号（序列码，Sequence　Number）：32位 的 seq 序列号由接收端计算机使用，重新分段的报文成最初形式。当 SYN 出现，序列码实际上是初始序列码（ISN），而第一个数据字节是 ISN+1。这个序列号（序列码）是可以补偿传输中的不一致；
• TCP 确认序号（Acknowledgment Number）：32 位的序列号由接收端计算机使用，重组分段的报文成最初形式，如果设置了 ACK 控制位，这个值表示一个准备接收的包的序列码；
• 头长度（Header Length）：表示 TCP 头的四字节数，如果转化为字节个数需要乘以 4（如果没有任何选项字段，TCP 头部长度为 20 字节；最多可以有 60 字节的 TCP 头部）；
• 标志位：共 6 个，即 URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN
  • URG：紧急指针（urgent pointer）有效，0 为不使用，1 为使用；
  • ACK：确认序号有效，确认序号 ack 与标志位中的 ACK 不同，确认方 ack = 发起方 seq+1，两端配对，0 为请求，1 为应答；
  • PSH：接收方应该尽快将这个报文交给应用层；
  • RST：重置连接（连线复位，首先断开连接，然后重建）；
  • SYN：发起一个新连接（同步连线序号，用来建立连线）；
  • FIN：结束/释放一个连接（如果 FIN 为 0 是结束连线请求，FIN 为 1 表示结束连线）；
• 窗口大小（Window）：目的机使用 16 位的域告诉源主机，它想收到的每个 TCP 数据段大小；
• 校验和（Check Sum）：这个校验和和IP的校验和有所不同，不仅对头数据进行校验还对封包内容校验；
• 紧急指针（Urgent Pointer）：当 URG 为 1 的时候才有效。TCP 的紧急方式是发送紧急数据的一种方式。

二、TCP 的三次握手

1、TCP 三次握手概述

三次握手的本质是确认通信双方收发数据的能力。

• 首先，我让信使运输一份信件给对方，对方收到了，那么他就知道了「我的发件能力」和「他的收件能力」是可以的
• 然后，他给我回信，我若收到了，我便知「我的发件能力」和「他的收件能力」是可以的，并且「他的发件能力」和「我的收件能力」是可以。
• 最后，我回馈一次，他若收到了，他便清楚了「他的发件能力」和「我的收件能力」是可以的

2、TCP 三次握手的详细过程

三次握手详细过程：

1. 第一次握手，客户端向服务端发起连接请求：
   • 首先，客户端会生成一个随机起始序列号 ISN（比如是100），
   • 然后客户端向服务端发送报文，此时报文段包含 SYN 标志位（也就是 SYN=1），序列号 seq=100；
2. 第二次握手，服务端收到客户端发来的报文：
   • 首先，服务端发现 SYN=1，确定这是一个连接请求，于是服务端将客户端的起始序列号 100 存起来，并且随机生成一个服务端的起始序列号（比如是200）
   • 然后，服务端给客户端回复一段报文，回复报文包含 SYN 和 ACK 标志（也就是SYN=1，ACK=1）、序列号 seq=200、确认号 ack=101（客户端发过来的序列号+1）；
3. 第三次握手，客户端收到服务端的回复报文：
   • 首先：客户端发现 ACK=1 并且 ack=101，于是知道服务端已经收到了序列号为 100 的那段报文；
   • 同时，客户端发现 SYN=1，知道了服务端同意了这次连接，于是就将服务端的序列号 200 给存下来；
   • 然后，客户端再回复一段报文给服务端，报文包含 ACK 标志位（ACK=1）、ack=301（服务端序列号+1）、seq=101（第一次握手时发送报文是占据一个序列号的，所以这次 seq 就从 101 开始，需要注意的是不携带数据的 ACK 报文是不占据序列号的，所以后面第一次正式发送数据时 seq 还是 101)；
   • 最后，当服务端收到报文后发现 ACK=1 并且 ack=201，就知道客户端收到序列号为 200 的报文了，就这样客户端和服务端通过 TCP 建立了连接。

三、TCP 的四次挥手

四次挥手的目的是关闭一个连接

比如客户端初始化的序列号 ISA=100，服务端初始化的序列号 ISA=200。TCP 连接成功后客户端总共发送了 1000 个字节的数据，服务端在客户端发 FIN 报文前总共回复了 2000 个字节的数据：

1. 第一次挥手：当客户端的数据都传输完毕后，客户端向服务端发出连接释放报文，报文包含 FIN 标志位（FIN=1）、序列号 seq=1101（100+1+1000，其中的，100 时初始序列号 ISA，1000 是目前总共发送了 1000 个字节的数据， 1 是建立连接时占的一个序列号）Ps：客户端发出 FIN 报文段后只是不能发数据了，但是还可以正常收数据；另外 FIN 报文段即使不携带数据也要占据一个序列号；
2. 第二次挥手：服务端收到客户端发的 FIN 报文后给客户端回复确认报文，确认报文包含 ACK 标志位（ACK=1）、确认号 ack=1102（客户端 FIN 报文序列号 1101+1）、序列号 seq=2200（200+2000）。此时服务端处于关闭等待状态，而不是立马给客户端发 FIN 报文，这个状态还要持续一段时间，因为服务端可能还有数据没发完；
3. 第三次挥手：务端将最后数据（比如50个字节）发送完毕后就向客户端发出连接释放报文，报文包含 FIN 和 ACK 标志位（FIN=1，ACK=1）、确认号和第二次挥手一样 ack=1102、序列号 seq=2350（2300+50）；
4. 第四次挥手：客户端收到服务端发的 FIN 报文后，向服务端发出确认报文，确认报文包含 ACK 标志位(ACK=1)、确认号 ack=2351、序列号 seq=1102。Ps:客户端发出确认报文后不是立马释放 TCP 连接，而是要经过 2MSL（最长报文段寿命的 2 倍时长）后才释放 TCP 连接。而服务端一旦收到客户端发出的确认报文就会立马释放 TCP 连接，所以服务端结束 TCP 连接的时间要比客户端早一些。

四、TCP 协议是怎么保证有效传输

1、TCP 协议是怎么保证有效传输的？

TCP 是通过序列号、确认应答、重发控制、连接管理以及窗口控制等机制实现可靠性传输的。

• 确认应答：TCP 实现可靠传输的方式之一，是通过序列号与确认应答。
• 连接管理：三次握手、四次挥手
• 重传机制：但在复杂的网络环境下，并不一定能正常的数据传输，万一数据在传输过程中丢失了呢？所以 TCP 针对数据包丢失的情况，会用重传机制解决。
  • 超时重传：如果发送方发送数据一段时间后没有收到 ACK，那么就重发数据。
  • 此外还有：快速重传、SACK、D-SACK；
• 滑动窗口：我们都知道 TCP 是每发送一个数据，都要进行一次确认应答。当上一个数据包收到了应答了， 再发送下一个。这个模式就有点像我和你面对面聊天，你一句我一句。这样的传输方式有一个缺点：数据包的往返时间越长，通信的效率就越低。 为解决这个问题，TCP 引入了窗口这个概念。即使在往返时间较长的情况下，它也不会降低网络通信的效率。那么有了窗口，就可以指定窗口大小，窗口大小就是指无需等待确认应答，而可以继续发送数据的最大值。窗口的实现实际上是操作系统开辟的一个缓存空间，发送方主机在等到确认应答返回之前，必须在缓冲区中保留已发送的数据。如果按期收到确认应答，此时数据就可以从缓存区清除。
• 流量控制：发送方不能无脑的发数据给接收方，要考虑接收方处理能力。如果一直无脑的发数据给对方，但对方处理不过来，那么就会导致触发重发机制，从而导致网络流量的无端的浪费。为了解决这种现象发生，TCP 提供一种机制可以让「发送方」根据「接收方」的实际接收能力控制发送的数据量，这就是所谓的流量控制。 接收方会在返回 ACK 时同时把自己的即时窗口填入，发送方就根据报文中窗口的大小控制发送速度。
• 拥塞控制：前面的流量控制是避免「发送方」的数据填满「接收方」的缓存，但是并不知道网络的中发生了什么。一般来说，计算机网络都处在一个共享的环境。因此也有可能会因为其他主机之间的通信使得网络拥堵。在网络出现拥堵时，如果继续发送大量数据包，可能会导致数据包时延、丢失等，这时 TCP 就会重传数据，但是一重传就会导致网络的负担更重，于是会导致更大的延迟以及更多的丢包，这个情况就会进入恶性循环被不断地放大… 所以，TCP 不能忽略网络上发生的事，它被设计成一个无私的协议，当网络发送拥塞时，TCP 会自我牺牲，降低发送的数据量。于是，就有了拥塞控制，控制的目的就是避免「发送方」的数据填满整个网络。 拥塞窗口 cwnd 是发送方维护的一个的状态变量，它会根据网络的拥塞程度动态变化的。其实只要「发送方」没有在规定时间内接收到 ACK 应答报文，也就是发生了超时重传，就会认为网络出现了用拥塞。