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TCP 的基本認(rèn)識(shí)

TCP 中文又被稱之為傳輸控制協(xié)議，它是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。這個(gè)特性的解釋如下：

• 面向連接的：面向連接也就是說一對(duì)一才能連接。
• 可靠的：無論網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了什么變化，TCP都能保證一個(gè)報(bào)文一定能夠到達(dá)接收端
• 字節(jié)流：消息是沒有邊界的，所以無論消息有多大都可以進(jìn)行傳輸

學(xué)習(xí)過網(wǎng)絡(luò)的朋友就知道，對(duì)于一個(gè)協(xié)議來說，往往會(huì)分成多個(gè)層，層與層之間解耦，對(duì)于 TCP 傳輸控制層協(xié)議來講，它也是這樣的，下面是 TCP 協(xié)議的一個(gè)結(jié)構(gòu)示意圖：

可以看到，TCP 的應(yīng)用層就對(duì)應(yīng)著 OSI 參考模型的應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層，傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層是一一對(duì)應(yīng)的，然后緊接著是網(wǎng)絡(luò)接口層，網(wǎng)絡(luò)接口層對(duì)應(yīng)著 OSI參考模型的 數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。在說了 TCP/IP 的分層模型，緊接著來介紹下 TCP 的頭部格式，它的頭部格式如下所示：

上圖就是針對(duì)于 TCP 頭部的一個(gè)示意圖，下面對(duì)于幾個(gè)概念進(jìn)行解釋：

• 序列號(hào)：用來解決網(wǎng)絡(luò)的亂序問題
• 確認(rèn)應(yīng)答號(hào)：指下一次期望收到的數(shù)據(jù)的序列號(hào)，用來解決不丟包的問題
• 控制位：
• ACK: 該位為 1 時(shí)，確認(rèn)應(yīng)答的字段變?yōu)橛行?，TCP規(guī)定除了最初建立連接時(shí)的 SYN 包之外該位必須設(shè)置為 1
• RST：該位為 1 時(shí)，表示 TCP 連接中出現(xiàn)異常必須強(qiáng)制斷開連接
• SYN: 該位為 1 時(shí)，表示期望建立連接，并在其序列號(hào)的字段進(jìn)行序列號(hào)初始值的設(shè)定
• FIN ：該位為 1 時(shí)，表示今后不再有數(shù)據(jù)發(fā)送，希望斷開連接。

那對(duì)于 TCP 來說，什么叫做連接呢，什么樣子才說是兩臺(tái)設(shè)備已經(jīng)連接起來了呢?簡(jiǎn)單來說，也就是用于保證可靠性和流量控制維護(hù)的某些狀態(tài)信息，這些信息的組合，包括 Socket、序列號(hào)和窗口大小稱之為連接。那么 TCP 建立一個(gè)連接，那么就需要客戶端和服務(wù)器端達(dá)成一個(gè)共識(shí)，共識(shí)的內(nèi)容就包括：

• Socket：由 IP 地址和端口號(hào)組成
• 序列號(hào)：用來解決亂序問題
• 窗口大小：用來做流量控制

那么又該如何確定一個(gè)連接呢?就是說是哪臺(tái)設(shè)備中的哪個(gè)進(jìn)程與哪臺(tái)設(shè)備中哪個(gè)進(jìn)程進(jìn)行通信，需要如下幾個(gè)信息：

• 源地址
• 源端口號(hào)
• 目標(biāo)地址
• 目標(biāo)端口號(hào)

TCP 的運(yùn)輸連接

在前文中敘述了 TCP 是面向連接的協(xié)議，它是基于傳輸連接來傳送 TCP 報(bào)文段，TCP 傳輸連接的建立和釋放是每一次面向連接的通信中必不可少的過程，TCP 的運(yùn)輸連接主要有以下三個(gè)階段：

• 建立 TCP 連接
• 數(shù)據(jù)傳送
• 釋放 TCP 連接

上述就是 TCP 運(yùn)輸連接的一個(gè)基本過程，基于此，我們來依次對(duì)這幾種過程進(jìn)行剖析。

TCP 建立連接

TCP 建立連接要解決的是以下三個(gè)問題：

• 使得 TCP 雙方能夠確知對(duì)方的存在;
• 使得 TCP 雙方能夠協(xié)商一些參數(shù)(如最大窗口值、是否使用窗口擴(kuò)大選項(xiàng)和時(shí)間戳選項(xiàng)以及服務(wù)質(zhì)量等);
• 使得 TCP 雙方能夠?qū)\(yùn)輸實(shí)體資源(如緩存大小、連接表中的項(xiàng)目等)進(jìn)行分配

那么建立連接的過程主要如下圖所示：

根據(jù)上圖所示，我們可以看到 TCP 建立連接時(shí)的一個(gè)基本流程：

首先，TCP服務(wù)器進(jìn)程首先創(chuàng)建傳輸控制塊，用來傳輸 TCP 連接中的一些重要信息：TCP連接表，指向發(fā)送和接收緩存的指針，指向重傳隊(duì)列的指針，當(dāng)前發(fā)送和接收序號(hào)等等。。。之后呢，準(zhǔn)備接受TCP客戶進(jìn)程的連接請(qǐng)求，此時(shí)，TCP服務(wù)進(jìn)程就進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)，等待 TCP 進(jìn)程的連接請(qǐng)求，需要注意的是作為 TCP 服務(wù)端，這里是被動(dòng)打開連接。

其次，對(duì)應(yīng)著第一個(gè)箭頭，SYN=1,seq=x。TCP 客戶端進(jìn)程首先創(chuàng)建傳輸控制塊，然后，在打算建立連接時(shí)，向TCP服務(wù)器進(jìn)程發(fā)送TCP連接請(qǐng)求報(bào)文段，并進(jìn)入同步已經(jīng)發(fā)送狀態(tài)。TCP連接請(qǐng)求報(bào)文段首部中的同步位SYN被設(shè)置為1，也就表明這是一個(gè) TCP 連接請(qǐng)求報(bào)文段，序號(hào)字段 seq 被設(shè)置了一個(gè)初始值，作為 TCP 客戶進(jìn)程所選擇的初始序號(hào)，(這里要注意的是：TCP規(guī)定 SYN 設(shè)置為 1 的報(bào)文段不能夠攜帶數(shù)據(jù) ，但是要消耗掉一個(gè)序號(hào)，由于 TCP 連接建立是由 TCP 客戶端主動(dòng)發(fā)起的，因此稱之為主動(dòng)打開連接)

緊接著，對(duì)應(yīng)著第二個(gè)箭頭，SYN=1 ACK=1 seq=y ack=x+1。TCP 服務(wù)端如果同意客戶端建立連接，則向 TCP 客戶端進(jìn)程發(fā)送 TCP 連接請(qǐng)求確認(rèn)報(bào)文段，并進(jìn)入同步已經(jīng)接收狀態(tài)

最后，TCP 客戶端收到連接請(qǐng)求確認(rèn)報(bào)文段之后，還需要向 TCP 服務(wù)進(jìn)程發(fā)送一個(gè)普通的 TCP 確認(rèn)報(bào)文段，并進(jìn)入連接已建立狀態(tài)。該報(bào)文是 ACK=1 seq=x+1 ack=y+1,也就表明這是一個(gè)普通的 TCP 確認(rèn)報(bào)文段。(普通的 TCP 確認(rèn)報(bào)文段可以攜帶數(shù)據(jù)，但是如果說當(dāng)前的 TCP 確認(rèn)報(bào)文段不攜帶數(shù)據(jù)，那么也就不消耗數(shù)據(jù)報(bào)文段的序號(hào)，也就是說下一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文段的序號(hào)還是 x+1)，當(dāng) TCP 服務(wù)端收到這個(gè)普通認(rèn)報(bào)文段之后，TCP服務(wù)端也進(jìn)入連接已建立狀態(tài)，這時(shí) TCP 客戶端和 TCP 服務(wù)端都進(jìn)入了連接已經(jīng)建立狀態(tài)，就可以開始傳輸數(shù)據(jù)了。

上述就是一個(gè)三次報(bào)文握手建立連接的一個(gè)過程，那么分析到這里，就出現(xiàn)了一個(gè)問題，就是說當(dāng) TCP 服務(wù)端發(fā)送連接請(qǐng)求確認(rèn)報(bào)文段之后，當(dāng) TCP 客戶端收到這個(gè)報(bào)文，難么就進(jìn)入連接已建立狀態(tài)了，這個(gè)時(shí)候直接發(fā)送數(shù)據(jù)不就行了，為什么還要再次發(fā)送一個(gè) TCP 普通確認(rèn)報(bào)文段呢?這是為什么?

要解釋這個(gè)問題，那首先假設(shè)當(dāng)前 TCP 建立連接采用的是兩報(bào)文握手連接，那么在 TCP 客戶端發(fā)送連接請(qǐng)求報(bào)文段之后，TCP 服務(wù)器接收到連接請(qǐng)求報(bào)文段就進(jìn)入連接已經(jīng)建立狀態(tài)，進(jìn)一步 TCP 服務(wù)端發(fā)送連接請(qǐng)求確認(rèn)報(bào)文段，這個(gè)時(shí)候，TCP 客戶端收到報(bào)文之后，就也進(jìn)入連接已經(jīng)建立狀態(tài)。然后，基于此，我們來看下面這樣一個(gè)情況：

如上圖所示，由于 TCP 客戶端發(fā)送的第一個(gè)連接請(qǐng)求報(bào)文段沒有能夠成功發(fā)送出去，TCP 服務(wù)端沒有能夠接收到這個(gè)報(bào)文段，這個(gè)時(shí)候，TCP客戶端又重新發(fā)起了一個(gè)連接請(qǐng)求報(bào)文段，依據(jù)剛剛所說的過程，TCP 服務(wù)器在接收到這個(gè)報(bào)文段之后，就進(jìn)入了連接已經(jīng)建立狀態(tài)，緊接著，客戶端也進(jìn)入了連接已經(jīng)建立狀態(tài)，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了，但是，這個(gè)時(shí)候，由于之前的 TCP 連接請(qǐng)求報(bào)文發(fā)送失敗，導(dǎo)致的超時(shí)重傳，在TCP已經(jīng)釋放連接的時(shí)候，TCP 客戶端收到連接請(qǐng)求報(bào)文段，進(jìn)入連接已經(jīng)建立狀態(tài)，但是這個(gè)時(shí)候?qū)τ?TCP 客戶端來說，它已經(jīng)關(guān)閉連接了，無法進(jìn)入連接已經(jīng)建立狀態(tài)，這樣也就會(huì)導(dǎo)致 TCP 服務(wù)器白白的在干等，在浪費(fèi)資源。

這也就是為什么采用三次報(bào)文握手，而不采用兩次報(bào)文握手的原因。

TCP 釋放連接

數(shù)據(jù)傳輸完畢之后，TCP雙方都可以釋放連接，現(xiàn)在 TCP 客戶進(jìn)程和 TCP 服務(wù)進(jìn)程都處于連接已建立狀態(tài)，如果使用 TCP 客戶進(jìn)程中的應(yīng)用進(jìn)程通知其主動(dòng)關(guān)閉 TCP 連接，TCP 客戶進(jìn)程會(huì)發(fā)送 TCP 連接釋放報(bào)文段，并進(jìn)入終止等待1狀態(tài)。發(fā)送的報(bào)文稱之為是 TCP 釋放報(bào)文段，這里需要注意的是 FIN == 1 的報(bào)文段即使不攜帶數(shù)據(jù)，也要消耗掉一個(gè)序號(hào)。

當(dāng) TCP 服務(wù)端收到來自 TCP 客戶端的釋放報(bào)文段的時(shí)候，會(huì)發(fā)送一個(gè)普通的 TCP 確認(rèn)報(bào)文段并進(jìn)入關(guān)閉等待狀態(tài)，具體過程如下圖所示：

這個(gè)時(shí)候，TCP 服務(wù)段進(jìn)程要通知高層應(yīng)用進(jìn)程TCP客戶端要斷開與自己的連接，這個(gè)時(shí)候 TCP 客戶端的連接已經(jīng)斷開了，也就是 TCP 客戶進(jìn)程已經(jīng)沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送了，但是TCP 服務(wù)器進(jìn)程如果還有數(shù)據(jù)要發(fā)送，TCP 客戶進(jìn)程仍然要接收，那么也就是說從 TCP 服務(wù)進(jìn)程到 TCP 客戶進(jìn)程這個(gè)反向的連接還沒有關(guān)閉，這個(gè)狀態(tài)可能會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，當(dāng)前的 TCP 連接處于半斷開連接。

當(dāng) TCP 客戶端進(jìn)程收到來自TCP服務(wù)端進(jìn)程的確認(rèn)報(bào)文段之后，就進(jìn)入終止等待 2 狀態(tài)，等待 TCP 服務(wù)器進(jìn)程發(fā)出的 TCP 連接釋放報(bào)文段，如果處在 TCP 服務(wù)器中的應(yīng)用進(jìn)程已經(jīng)沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送了，那么應(yīng)用進(jìn)程就通知 TCP 服務(wù)器進(jìn)程釋放連接，TCP 服務(wù)器進(jìn)程發(fā)送 TCP 連接釋放報(bào)文段并進(jìn)入最后確認(rèn)狀態(tài)。

在 TCP 客戶端進(jìn)程接收到 TCP 服務(wù)端進(jìn)程的連接釋放報(bào)文段之后，必須針對(duì)該報(bào)文段發(fā)送普通的 TCP 確認(rèn)報(bào)文段，之后進(jìn)入時(shí)間等待狀態(tài)：

在 TCP 服務(wù)器進(jìn)程收到TCP客戶端進(jìn)程發(fā)送過來的普通TCP確認(rèn)報(bào)文段之后，就進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，而對(duì)于 TCP 客戶端來說，需要經(jīng)過 2MSL 之后才關(guān)閉連接。

其中 MSL 為最長(zhǎng)報(bào)文壽命。那說到這里，又出現(xiàn)一個(gè)問題，也就是說當(dāng) TCP 客戶端發(fā)送 TCP 普通確認(rèn)報(bào)文段之后，為什么不直接就進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，而是還需要等待 2MSL 呢，有這個(gè)必要么，為了解決這個(gè)問題，我們來看如下的解釋，比如說當(dāng)前就不需要進(jìn)行等待了，具體通信過程如下圖所示：

就是說，當(dāng) TCP 服務(wù)器進(jìn)程往 TCP 客戶端進(jìn)程發(fā)送釋放連接報(bào)文段的時(shí)候，在 TCP 客戶端接受到這個(gè)報(bào)文，轉(zhuǎn)而 TCP 客戶端發(fā)送普通確認(rèn)報(bào)文，但是這個(gè)報(bào)文就丟失了，而此時(shí) TCP 客戶端進(jìn)程已經(jīng)斷開連接，無法再次發(fā)送普通確認(rèn)報(bào)文，TCP 服務(wù)端進(jìn)程沒有收到普通確認(rèn)報(bào)文，那么就無法進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，就會(huì)抑制超時(shí)重傳 TCP 連接釋放報(bào)文，出現(xiàn)問題。

綜上所述，也就是說 TCP 客戶端等待 2MSL 的時(shí)間是為了能夠使得 TCP 服務(wù)器端進(jìn)程能夠收到最后一個(gè) TCP 確認(rèn)報(bào)文段而進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài) 。對(duì)于另外一個(gè)原因，等待 2MSL 才關(guān)閉也能夠使得本次連接持續(xù)時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的所有報(bào)文段都從網(wǎng)絡(luò)中消失，這樣就可以使得笑一個(gè) TCP 連接中，不會(huì)出現(xiàn)舊連接的報(bào)文段。以上就是 TCP 通過“四報(bào)文揮手”釋放連接的過程。

小結(jié)

上述就是關(guān)于 TCP 運(yùn)輸連接的一個(gè)基本內(nèi)容闡述，詳細(xì)論述了 TCP 三次報(bào)文揮手建立連接以及四次報(bào)文揮手釋放連接的詳細(xì)過程，當(dāng)然 TCP 還有其他內(nèi)容，剩下的下一期再進(jìn)行闡述吧~

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