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TCP的连接与释放

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简介

TCP 是一个可靠的（reliable）、面向连接的（connection-oriented）、基于字节流（byte-stream）、全双工（full-duplex）的协议。发送端在发送数据以后启动一个定时器，如果超时没有收到对端确认会进行重传，接收端利用序列号对收到的包进行排序、丢弃重复数据，TCP 还提供了流量控制、拥塞控制等机制保证了稳定性。

TCP报文格式

tcp1.jpg

注意TCP 的报文里是没有源 ip 和目标 ip 的，因为那是 IP 层协议的事情，TCP 层只有源端口和目标端口。

  • 序列号：指的是本报文段第一个字节的序列号。可以利用序列号来解决网络包乱序、重复的问题，以保证数据包以正确的顺序组装传递给上层应用。
  • 确认号：告知对方下一个期望接收的序列号，小于此确认号的所有字节都已经收到。用来解决不丢包的问题。（Ack=Seq+1）
  • 校验和：由发送端计算和存储，由接收端校验。解决数据正确性问题
  • 窗口大小：窗口大小。接收端期望接收的字节数，用于流量控制的。
  • TCP Flags：也就是包的类型，通常所说的 SYN、ACK、FIN、RST 其实只是把 flags 对应的 bit 位置为 1 而已。

最常见的有下面这几个：

  1. SYN（Synchronize）：用于发起连接数据包同步双方的初始序列号
  2. ACK（Acknowledge）：确认数据包
  3. RST（Reset）：这个标记用来强制断开连接，通常是之前建立的连接已经不在了、包不合法、或者实在无能为力处理
  4. FIN（Finish）：通知对方我发完了所有数据，准备断开连接，后面我不会再发数据包给你了。
  5. PSH（Push）：告知对方这些数据包收到以后应该马上交给上层应用，不能缓存起来

对于TCP协议，要成功建立一个新的链接，需要保证新链接四个要素组合体的唯一性：客户端的IP、客户端的port、服务器端的IP、服务器端的port。也就是说，服务端的同一个IP和port，可以和同一个客户端的多个不同端口成功建立多个TCP链接（与多个不同的客户端当然也可以）

三次握手

tcp2.jpg

  1. 客户端发送SYN，表明要向服务器建立连接。同时带上序列号Seq=ISN（c）
  2. 服务器返回ACK（序号为客户端序列号+1）作为确认。同时发送SYN作为应答Seq=ISN（s）
  3. 客户端发送ACK确认收到回复（序列号为服务端序列号+1）

为什么是三次握手而不是二次或者四次？

  • 第一次： A->B，B确定A有发消息的能力。
  • 第二次： B->A，A确定B有收消息（通过第一次）的能力，并且有发消息的能力。
  • 第三次： A->B，B确定A有收消息的能力。

简单来说就是双方各一次握手，各一次确认，其中一次握手和确认合并在一起，双方都确认对方有收 发消息的能力（二次握手达不到目的，四次又多余）

为了实现可靠数据传输，三次握手的过程即是通信双方相互告知序列号起始值， 并确认对方已经收到了序列号起始值的必经步骤如果只是两次握手，至多只有连接发起方的起始序列号能被确认，另一方选择的序列号则得不到确认.

四次挥手

tcp3.jpg

  1. 客户端调用 close 方法，执行「主动关闭」，会发送一个 FIN 报文给服务端，从这以后客户端不能再发送数据给服务端了，客户端进入FIN-WAIT-1「半关闭（half-close）状态」，FIN 报文其实就是将 FIN 标志位设置为 1。
  2. 服务端收到 FIN 包以后回复确认 ACK 报文给客户端，服务端进入 CLOSE_WAIT，客户端收到 ACK 以后进入FIN-WAIT-2状态。
  3. 服务端也没有数据要发送了，发送 FIN 报文给客户端，然后进入LAST-ACK 状态，等待客户端的 ACK。
  4. 客户端收到服务端的 FIN 报文以后，回复 ACK 报文用来确认第三步里的 FIN 报文，进入TIME_WAIT状态，等待 2 个 MSL 以后进入 CLOSED状态。服务端收到 ACK 以后也进入CLOSED状态。

为什么挥手要四次，变为三次可以吗？

当然可以，因为有延迟确认的存在，把第二步的 ACK 经常会跟随第三步的 FIN 包一起捎带会对端。如果不及时发送 ACK 包，死等服务端这边发送数据，可能会造成客户端不必要的重发 FIN 包。如果服务端确定没有什么数据需要发给客户端，那么当然是可以把 FIN 和 ACK 合并成一个包，四次挥手的过程就成了三次。

为什么时间是两个 MSL（报文最大生存时间）？

  • 1 个 MSL 确保四次挥手中主动关闭方最后的 ACK 报文最终能达到对端
  • 1 个 MSL 确保对端没有收到 ACK 重传的 FIN 报文可以到达

2MS = 去向 ACK 消息最大存活时间（MSL) + 来向 FIN 消息的最大存活时间（MSL）

TIME_WAIT 状态存在的意义是可靠的实现 TCP 全双工的连接终止（处理最后 ACK 丢失的情况，服务端重发FIN到客户端重发ACK的时间和）以及避免当前关闭连接与后续连接混淆（让旧连接的包在网络中消逝，已经足够让一个方向上的包最多存活 MSL 秒就被丢弃。四元素不变经过连接 释放 连接 -> 保证了第二次创建新的TCP连接以后，老连接姗姗来迟的包已经在网络中被丢弃消逝，不会干扰新的连接。）