TCP

TCP协议： 全称为传输控制协议

报头：
TCP报头概述

建立TCP连接

三次握手

三次握手即建立TCP连接，就是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送3个包以确认连接的建立。在socket编程中，这一过程由客户端执行connect来触发

1. 第一次握手： CLient将标志位SYN置1，随机产生一个值seq=x，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。
2. 第二次握手： Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack=x+1，随机产生一个seq=y，并将该数据包发送给Client确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。
3. 第三次握手： Client收到确认后，检查ack是否为x+1、ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=y+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为y+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED，完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

四次挥手

1, 客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。
释放数据报文首部，FIN=1，其***为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
2, 服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，确认序号为 u+1，并且带上自己的***seq=v，此时服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。
TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
3, 客户端收到服务器的确认请求后，此时客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最终数据）
4, 服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，确认序号为v+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的***为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
5, 客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，确认序号为w+1，而自己的***是u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
6, 服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

为什么最后客户端还要等待 2*MSL的时间呢?

• MSL（Maximum Segment Lifetime），TCP允许不同的实现可以设置不同的MSL值。

• 第一，保证客户端发送的最后一个ACK报文能够到达服务器，因为这个ACK报文可能丢失，站在服务器的角度看来，我已经发送了FIN+ACK报文请求断开了，客户端还没有给我回应，应该是我发送的请求断开报文它没有收到，于是服务器又会重新发送一次，而客户端就能在这个2MSL时间段内收到这个重传的报文，接着给出回应报文，并且会重启2MSL计时器。

• 第二，防止类似与“三次握手”中提到了的“已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中。客户端发送完最后一个确认报文后，在这个2MSL时间中，就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文。

为什么建立连接是三次握手，关闭连接确是四次挥手呢？

• 建立连接的时候， 服务器在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。
  而关闭连接时，服务器收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，而自己也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即关闭，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送，从而导致多了一次。

如果已经建立了连接, 但是客户端突发故障了怎么办?

• TCP设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75分钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。

TCP协议可靠性保证（确认应答机制，超时重传机制，流量控制，拥塞窗口）

1. 确认应答机制（ACK机制）

TCP将每个字节的数据都进行了编号，即为***。

由图分析：当主机1给主机2发送了1_{1000这么多数据时，主机2如果收到了就会给主机1应答（ACK报文段，每一个ACK都带有对应的确认***），表示你给我发的1}1000的数据我已经全部收到了（收到哪些数据），下次你再给我发就给我从1001数据开始发（下次从哪里开始发）。那么主机1收到应答之后就知道对方已经收到了1~1000的全部数据，所以再一次发送数据的时候他就会从1001开始发，后面都是依此类推的情况。

2. 超时重传机制

主机1没有收到主机2的确认应答有以下两种情况：
1） 数据根本就没有传达到主机2，因此主机2就不会回传一个确认应答的报文。

2）主机2收到了数据，也回传了确认应答报文，但是该报文丢失了。

3. 流量控制

接收端处理数据的速度是有限的，如果发送端发的太快，导致接收端的缓冲区被打满，这个时候如果发送端继续发送就会造成丢包，继而引起丢包重传等一系列连锁反应。因此TCP支持根据接收端的处理能力，来决定发送端的发送速度，这个机制就叫做流量控制。

4. 拥塞窗口

拥塞窗口：
发送开始的时候定义拥塞窗口大小为1
每当收到一个ACK应答以后拥塞窗口加1
每次发送数据包的时候，将拥塞窗口和接收端主机反馈的窗口大小作比较，取较小值作为实际发送的窗口。
为了增长的不呢么快，因此我们不能让拥塞窗口单纯的加倍，这里引入一个慢启动的阈值，当同色窗口超过这个阈值的时候，不再按照指数方式增长，而是改为按照线性的方式增长。
当TCP开始启动的时候，慢启动阈值等于窗口最大值，在每次超时重发的时候，慢启动阈值会变成原来的一半，同时拥塞窗口置为1。

滑动窗口

• 发送窗口的大小取决于接受窗口。
• 可以有效防止主机性能差距较大时造成的拥塞。

TCP和UDP的区别

1、TCP面向连接；UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接。
2、TCP保证数据的正确性；UDP可能丢包。TCP保证数据顺序；UDP不保证。
3、TCP面向字节流；UDP是面向报文的。
4、每一条TCP连接只能是点到点的；UDP支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。
5、TCP首部开销20字节；UDP只开销8字节。
6、TCP的逻辑通信信道是全双工的可靠信道；UDP则是不可靠信道。

TCP小结

保证可靠性的机制

• 校验和
• ***
• 确认应答
• 超时重传
• 连接管理
• 流量控制
• 拥塞控制

提高性能的机制

• 滑动窗口
• 快速重传
• 延迟应答
• 捎带应答

定时器

• 超时重传定时器
• 保活定时器
• TIME_WAIT定时器

基于TCP的应用层协议

• HTTP
• HTTPS
• SSH
• Telnet
• FTP
• SMTP