什么是TCP?

TCP(Transmission Control Protocol)是传输控制协议，工作在传输层，具有面向连接、全双工、半关闭、错误检查、将数据打包成段，排序、确认机制、数据恢复，重传、流量控制，滑动窗口、拥塞控制，慢启动和拥塞避免算法的特性，最重要的是TCP协议是可靠的，对于很多重要数据在网络的传递中起到至关重要的作用。

先了解一个TCP包头

• 源端口、目标端口：计算机上的进程要和其他进程通信是要通过计算机端口的，而一个计算机端口某个时刻只能被一个进程占用，所以通过指定源端口和目标端口，就可以知道是哪两个进程需要通信。源端口、目标端口是用16位表示的，可推算计算机的端口个数为2^16个
• 序列号：表示本报文段所发送数据的第一个字节的编号。在TCP连接中所传送的字节流的每一个字节都会按顺序编号。由于序列号由32位表示，所以每2^32个字节，就会出现序列号回绕，再次从 0 开始
• 确认号：表示接收方期望收到发送方下一个报文段的第一个字节数据的编号。也就是告诉发送方：我希望你（指发送方）下次发送的数据的第一个字节数据的编号为此确认号
• 数据偏移：表示TCP报文段的首部长度，共4位，由于TCP首部包含一个长度可变的选项部分，需要指定这个TCP报文段到底有多长。它指出 TCP 报文段的数据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远。该字段的单位是32位(即4个字节为计算单位），4位二进制最大表示15，所以数据偏移也就是TCP首部最大60字节
• URG：表示本报文段中发送的数据是否包含紧急数据。后面的紧急指针字段（urgent pointer）只有当URG=1时才有效
• ACK：表示是否前面确认号字段是否有效。只有当ACK=1时，前面的确认号字段才有效。TCP规定，连接建立后，ACK必须为1,带ACK标志的TCP报文段称为确认报文段
• PSH：提示接收端应用程序应该立即从TCP接收缓冲区中读走数据，为接收后续数据腾出空间。如果为1，则表示对方应当立即把数据提交给上层应用，而不是缓存起来，如果应用程序不将接收到的数据读走，就会一直停留在TCP接收缓冲区中
• RST：如果收到一个RST=1的报文，说明与主机的连接出现了严重错误（如主机崩溃），必须释放连接，然后再重新建立连接。或者说明上次发送给主机的数据有问题，主机拒绝响应，带RST标志的TCP报文段称为复位报文段
• SYN：在建立连接时使用，用来同步序号。当SYN=1，ACK=0时，表示这是一个请求建立连接的报文段；当SYN=1，ACK=1时，表示对方同意建立连接。SYN=1，说明这是一个请求建立连接或同意建立连接的报文。只有在前两次握手中SYN才置为1，带SYN标志的TCP报文段称为同步报文段
• FIN：表示通知对方本端要关闭连接了，标记数据是否发送完毕。如果FIN=1，即告诉对方：“我的数据已经发送完毕，你可以释放连接了”，带FIN标志的TCP报文段称为结束报文段
• 窗口大小：表示现在允许对方发送的数据量，也就是告诉对方，从本报文段的确认号开始允许对方发送的数据量，达到此值，需要ACK确认后才能再继续传送后面数据，由Window size value * Window size scaling factor（此值在三次握手阶段TCP选项Window scale协商得到）得出此值
• 校验和：提供额外的可靠性
• 紧急指针：标记紧急数据在数据字段中的位置
• 选项部分：其最大长度可根据TCP首部长度进行推算。TCP首部长度用4位表示，选项部分最长为：(2^4-1)*4-20=40字节

  在互联网上建立连接

  

  TCP三次握手

  

  过程：
  第一次
  第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包（syn=j）到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认；SYN：同步序列编号（Synchronize Sequence Numbers）。
  第二次
  第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；
  第三次
  第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED（TCP连接成功）状态，完成三次握手。
  完成三次握手，客户端与服务器开始传送数据。

  为什么要三次握手？有什么意义？

  同步连接双方的序列号和确认号并交换 TCP 窗口大小信息，并且确保双方能够相互通信

  sync半连接和accept全连接队列

  

  服务器server从接收到客户端client请求之后从LISTEN状态切换成SYNC-REVD状态，并将客户端连接加入至sync queue队列中，但这个队列的默认值大小一般为128，这时就有可能某些***利用这个阵列来不断的填充你的阵列，达到造成你的服务不可访问的效果 ，我们可以通过在linux系统上可以通过echo "value" > /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog在修改默认值大小，建议value=1024。
  同时，从上图我们可以得知/proc/sys/net/core/somaxconn为完成连接队列大小，也建议调整大小为1024以上。

  TCP四次挥手

  

  为什么要四次挥手？

  TCP协议通信双方都可以独立关闭自己的通信通道，也就是半关闭。

  client先发送FIN告知对方我已经完成数据发送了，server回复ack来确定我知道了。这样一个流程，就关闭了client的发送信息通道。但是还可以接收来自server方的数据。
  server此时已经知道接收不到client的数据了，但是还可以给它发送数据。如果server也没有啥数据要发送给对方了，server也会以FIN标志位发送一个信息给client，client接到后，也会传递一个ack表示知道了。这样子，双方都完成了关闭。

  有限状态机

  

客户端先发送一个FIN给服务端，自己进入了FIN_WAIT_1状态，这时等待接收服务端的报文，该报文会有三种可能：

• 只有服务端的ACK
• 只有服务端的FIN
• 基于服务端的ACK，又有FIN
• 1、只收到服务器的ACK，客户端会进入FIN_WAIT_2状态，后续当收到服务端的FIN时，回应发送一个ACK，会进入到TIME_WAIT状态，这个状态会持续2MSL(TCP报文段在网络中的最大生存时间, RFC 1122标准的建议值是2min).客户端等待2MSL，是为了当最后一个ACK丢失时，可以再发送一次。因为服务端在等待超时后会再发送一个FIN给客户端，进而客户端知道ACK已丢失
• 2、只有服务端的FIN时，回应一个ACK给服务端，进入CLOSING状态，然后接收到服务端的ACK时，进入TIME_WAIT状态
• 3、同时收到服务端的ACK和FIN，直接进入TIME_WAIT状态
• 客户端通过connect系统调用主动与服务器建立连接connect系统调用首先给服务器发送一个同步报文段，使连接转移到SYN_SENT状态
• 此后connect系统调用可能因为如下两个原因失败返回：
• 1、如果connect连接的目标端口不存在（未被任何进程监听），或者该端口仍被处于TIME_WAIT状态的连接所占用（见后文），则服务器将给客户端发送一个复位报文段，connect调用失败。
• 2、如果目标端口存在，但connect在超时时间内未收到服务器的确认报文段，则connect调用失败。
• connect调用失败将使连接立即返回到初始的CLOSED状态。如果客户端成功收到服务器的同步报文段和确认，则connect调用成功返回，连接转移至ESTABLISHED状态

当客户端执行主动关闭时，它将向服务器发送一个结束报文段，同时连接进入FIN_WAIT_1状态。若此时客户端收到服务器专门用于确认目的的确认报文段，则连接转移至FIN_WAIT_2状态。当客户端处于FIN_WAIT_2状态时，服务器处于CLOSE_WAIT状态，这一对状态是可能发生半关闭的状态。此时如果服务器也关闭连接（发送结束报文段），则客户端将给予确认并进入TIME_WAIT状态

客户端从FIN_WAIT_1状态可能直接进入TIME_WAIT状态（不经过FIN_WAIT_2状态），前提是处于FIN_WAIT_1状态的服务器直接收到带确认信息的结束报文段（而不是先收到确认报文段，再收到结束报文段）处于FIN_WAIT_2状态的客户端需要等待服务器发送结束报文段，才能转移至TIME_WAIT状态，否则它将一直停留在这个状态。如果不是为了在半关闭状态下继续接收数据，连接长时间地停留在FIN_WAIT_2状态并无益处。连接停留在FIN_WAIT_2状态的情况可能发生在：客户端执行半关闭后，未等服务器关闭连接就强行退出了。此时客户端连接由内核来接管，可称之为孤儿连接（和孤儿进程类似）

Linux为了防止孤儿连接长时间存留在内核中，定义了两个内核参数：

/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_orphans 指定内核能接管的孤儿连接数目

/proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout 指定孤儿连接在内核中生存的时间