TCP协议详解

介绍TCP协议之前，先区分一下TCP协议，和TCP/IP体系结构。TCP协议是TCP/IP协议体系中运输层的协议之一，提供可靠的运输层服务，具有面向连接，面向字节流，提供可靠交付，据用流量控制和拥塞控制等特点。

先简单介绍一下TCP/IP体系结构，以便于清晰一下自己所在协议栈的位置。

OSI七层太过复杂，且没有在开始的时候快速占领市场。当时一直到现在使用的都是TCP/IP体系结构，但是为了更好的阐述基本原理，还是按照五层体系结构来划分说明。

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TCP/IP协议族

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传输控制协议TCP

概述

协议特点：

面向连接的协议：建立连接、关闭连接
点对点：连接只能有2个端点
可靠交付：无差错、不丢失、不重传、按顺序交付给应用层
全双工：通信双方在任何时候都能够发送数据
面向字节流：每个字节都有序号，比如说累积确认，确认号就是下一个字节编号

报文剖析

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下面对部分首部字段详细说明:

序号：是报文段数据部分的字节的序号。在首部中占4个字节，2的32次幂个序号。超过后，回到0。之所以说TCP面向字节流，是因为每个字节都有一个序号。如序号是301，数据共100字节，那么最后一个字节的序号是400。所以下一个报文段的序号从401开始。
确认号：是作为接受方的一端在收到tcp报文后，期望下一次收到的字节的序号，继续上文序号的例子，收到301，数据长度100，那么再ack这个报文的时候，确认号应该是401（301+100）

这里有个重要的概念——累积确认，就是说，如果：

确认号=N，表明，到序号N-1为止的所有数据都已经正确收到！

数据偏移：数据部分距离首部有多远（因为tcp报文段中包含可变长度的选项，不能根据位数定位数据部分）
控制位URG
控制位ACK：ACK=1时候，确认号字段才有意义，说明该报文包含确认
控制位PSH：为1时，表明接收方收到报文后要尽快交付给应用层
控制位RST：Reset复位，连接出现严重差错，必须释放连接然后再重建连接
控制位SYN：建立连接的时候使用，用来同步报文起始序号
控制位FIN：finish，释放连接的时候使用
窗口：占2字节，表明作为接收方，我还有多少字节的缓冲空间来接受新的字节，数据的单位是字节，该值作为发送方设置其发送窗口大小的依据

可靠传输

滑动窗口动态视频-Normal
滑动窗口动态视频-Error

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右边的图反转一下更容易理解。

流量控制

接收方来不及接收，会造成数据丢失。所谓流量控制就是让发送发不要发送的太快。

主要利用滑动窗口来控制。

这里有个知识点，就是当接收窗口为0之后，如何打破死锁局面。打破的方法就是发送端发送零窗口探测报文（似乎也是keep alive报文），接收方在确认这个报文的时候，将新的窗口值带上，如果不是0，死锁就打破了。

拥塞控制

慢开始
拥塞避免
快速重传
快速恢复

连接管理

三次握手建立连接，四次交互关闭连接。连接的状态变化。

建立连接

经过下图的三次握手之后，连接被成功建立。

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客户机A请求服务器B打开连接，进入SYN-SENT状态
服务器B响应“打开连接的请求”，进入SYN-RCVD状态
客户机A收到SYN-SEND的ack, 进入ESTABLISHED状态，并再一次确认B的响应，这次可以携带数据也可以不携带数据，SYN=1, ACK=1, seq=x+1, ack=y+1, 机器B在收到此确认后，进入ESTABLISHED状态

这期间server或会设定MSS等参数

释放连接

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机器A请求关闭连接，发送终止信号，进入FIN-WAIT阶段一（终止等待1），等待机器B的确认
B收到A的终止信号，随即发送确认，并通知上层进程，进入CLOSE-WAIT，关闭等待状态；这时候从A到B这个方向的连接释放了，TCP连接的状态为办关闭状态。A已经没有数据要发送了，但是B可能还有数据要发送，并可以继续发送；
当A收到B对终止信号的确认，A进入终止等待2，等待B最终的确认；当B没有数据发送的时候，B会再次确认A的终止信号（意在关闭B到A方向上的连接），B进入LAST-ACK状态
A收到B对终止信号的第二次确认后，A发送对确认的确认，进入TIME-WAIT状态；当B收到确认后，关闭连接回收资源；当2MSL之后，A也关闭连接，释放资源

MSL： max segment lifetime， 最大报文寿命
MSS： max segment size  最大报文长度

TIME-WAIT阶段等待2MSL的作用：
1. 如果B没有收到最后的ACK， B会重传FIN=1， 当A收到这个重传的FIN=1， 最大时间刚好是2MSL（A发送最后的ACK时间 + B重传FIN=1的时间）当A收到B的FIN=1时候，再次发送最后的ACK，同事2MSL计时器重新启动
2.可能这时候还有很多从B发过来的报文（因为拥堵，或排队超时，被重传的那些报文）还在来的路上，但是这些报文已经无效了，为了防止A机器上新的连接收到这些报文，需要等这次报文超时。