TCP详解_序列号是data字段的第一个字节的编号是什么意思

TCP

TCP的结构如下

序列号seq：占4个字节，用来标记数据段的顺序，TCP把连接中发送的所有数据字节都编上一个序号，第一个字节的编号由本地随机产生。给字节编上序号后，就给每一个报文段派一个序号，序列号seq就是这个报文段中的第一个字节的数据编号
确认号ack：占4个字节，期待收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号，序列号表示报文段携带数据的第一个字节的编号，而确认号指的是期望接受到下一个字节的编号，因此当前报文段最后一个字节的编号+1即为确认号
确认ACK：占1位，仅当ACK=1时，确认号字段才会生效，ACK=0时，确认号无效
同步SYN：连接建立时用于同步序号，当SYN=1，ACK=0时表示：这是一个连接请求报文段，若同意连接，则在响应报文段中使得SYN=1，ACK=1。因此SYN=1表示这是一个连接请求，或连接接受报文。SYN这个标志位只有在TCP建立连接时才会被置为1，握手完成就会被置为0
三次握手：
1.Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=j，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认
2.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=j+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给Client已确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态
3.Client收到确认后，检查ack是否为j+1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack= k+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为K+1,Ack是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client和Server之间可以开始传输数据
四次挥手
由于TCP是全双工的，因此每个方向都要单独关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，收到一个FIN只能意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN，首先进行关闭的一方主动关闭，另一方则执行被动关闭
1.数据传输结束后，客户端的应用进程发出释放报文段，并停止发送数据，客户端进入FIN_WAIT_1状态，此时客户端依然可以接受服务器发来的数据
2.服务器接收到FIN后，发送一个ACK给客户端，确认序号为收到的序号+1，服务器进入CLOSE_WAIT状态。客户端收到后进入FIN_WAIT_2状态。
3.当服务器没有数据要发送时，服务器发送一个FIN报文，此时服务器进入LAST_ACK状态，等待客户端的确认
4.客户端收到服务器FIN报文后，给服务器发送一个ACK报文，确认序列号为收到的序号+1。此时客户端进入TIME_WAIT状态，等待2MSL(MSL:报文最大的生存时间)，然后关闭连接
为什么一定要等待2MSL
因为去向ACK消息最大存活时间（MSL）+来向FIN消息的最大存活时间（MSL）这恰恰就是2MSL，等待2MSL事件，Client就可以放心的释放TCP所占用的资源、端口号，此时可以使用该端口号连接任何服务器，如果不等，释放的端口可能会重连刚断开的服务器端口，这样依然存活在网络里的老的TCP报文可能与新TCP连接报文冲突，造成数据冲突，为了避免这种情况，所以要等待2MSL时间
TCP如何保证可靠性
1.序列号，确认应答，超时重传
数据到达接收方，接收方需要发出一个确认应答，表示已经收到该数据段，并且确认序号会说明他下一次需要接受的序列号，如果发送方迟迟未收到确认应答，那么可能是发送的数据丢失，也可能是确认应答丢失，这时发送方在等待期间会进行重传，这个时间一般是2PRR（报文段往返时间）+一个偏差值
2.窗口控制高速重发控制/快速重传
TCP会利用窗口控制来提高传输速度，意思是在一个窗口大小内，不用一定等到应答才能发送下一段数据，窗口需等待确认而可以继续发送数据的最大值。如果不使用窗口控制，每一个没收到确认应答的数据都要重发，使用窗口控制，如果数据段1001-2000丢失，后面数据每次传输，确认应答都会不停的发送序号为1001的应答，表示我要接受1001开始的数据，发送端如果收到3次相同的应答，就会立刻进行重发
3.拥塞控制
如果把窗口定的很大，发送端会发送大量的数据，可能会造成网络拥塞
解决方法慢启动：定义拥塞窗口，一开始该窗口大小设为1，每收到一个确认应答后，将拥塞窗口大小2
拥塞避免：设置慢启动阈值，一般开始设为65536，当窗口大小达到这个阈值时，拥塞窗口指数不再指数上升，而是加法增加，以此来避免拥塞。将报文段的超时重传堪称拥塞，一旦发生超时重传，我们需要先将阈值设置为当前窗口大小的一半，并且将窗口大小设为初值1，然后会进入到慢启动过程

TCP粘包问题
原因：
TCP是一个基于字节流的传输服务(UDP基于报文的)，"流"意味着TCP所传输的数据是没有边界的。所以可能会出现两个数据包黏在一起的情况
解决：
1.发送定长包，如果每个消息的大小都一样，那么在接受对等方只要累计接收数据，直到数据等于一个定长的数值就将它作为一个消息
2.包头加上包体长度。包头是定长的4字节，说明了包体的长度，接收对等方先接受包头长度，依据报头长度来接收包体。
3.在数据包之间设置边界，如添加特殊符号\r\n标记。FTP协议正是这么做的。但问题在于如果数据正文中也含有\r\n，则会误判为消息的边界
4.使用更加复杂的应用层协议

TCP流量控制
所谓流量控制就是让发送方的发送频率不要太快，让接收方来得及接收，如果接受方来不及接受发送方发送的数据，那么就会有分组丢失。在TCP中利用可变长的滑动窗口机制就可以很方便的在TCP连接上实现对发送方的流量控制，主要的方式是接收方返回的ACK中会包含自己的接收窗口大小，以控制发送方此次发送的数据量大小（窗口大小）

如果接受方滑动窗口满了，发送方会怎么做
基于TCP流量控制中的滑动窗口协议，我们知道接收方返回给发送方的ACK包中会包含自己的接收窗口大小，若接收方窗口已满，此时接收方返回给发送方的接收窗口大小为0，此时发送方会等待接收方发送的窗口大小直到变为非0为止，然后，接收方回应的ACK包是存在丢失的可能的，为了防止双方一直等待而出现死锁情况，此时就需要坚持计时器来辅助发送方周期性地向接收方查询，以便发现窗口是否变大，当发现窗口大小为非0时，发送方继续发送数据

三次握手的时候每次握手信息对方没有收到会怎么样
1.若第一次握手服务器未接受到客户端请求建立连接的数据包时，服务器不会进行任何相应的动作，而客户端由于在一段时间内没有收到服务器发来的确认报文，因此会等待一段时间后重新发送SYN同步报文，若仍然没有回应，则重复上述过程直到发送次数超过最大重传次数限制后，建立连接的系统调用会返回-1
2.若第二次握手客户端未接受到服务器回应的ACK报文时，客户端会采取第一次握手失败的动作，这里不再重复，而服务器此时将阻塞在accept()系统调用处等待client再次发送ACK报文
3.若第三次握手服务器未接受到客户端发送过来的ACK报文，同样会采取类似于客户端的超时重传机制，若重传次数超过限制后仍然没有回应，则accept()系统调用返回-1，服务器端连接建立失败，但此时客户端任务自己已经连接成功了，因此开始向服务器端发送数据，但是服务器端的accept()系统调用已返回，此时没有在监听状态，因此服务器端接收到来自客户端发送来的数据时会发送RST报文给客户端，消除客户端单方面建立连接的状态。

第二次握手传回了ACK，为什么还要传回SYN
ACK是为了告诉客户端发送来的数据已经接收无误，而传回SYN是为了告诉客户端，服务端接收到的消息确实是客户端发送的消息

有很多close-wait怎么解决
1.首先检查是不是自己代码的问题（看是否服务端程序忘记关闭连接），如果是，则修改代码
2.调整系统参数，包括句柄相关参数和TCP/IP的参数，一般一个CLOSE_WAIT会维持至少两个小时的时间，我们可以通过调整参数来缩短这个时间

TIME_WAIT状态会导致什么问题
我们考虑高并发短连接的业务场景，在高并发短连接的TCP服务器上，当服务器处理完请求后主动请求关闭连接，这样服务器上会有大量的连接处于TIME_WAIT状态，服务器维护每一个连接需要一个socket，也就是每个连接会占用一个文件描述符，而文件描述符的使用是有上限的，如果持续高并发，会导致一些正常的连接失败

TIME_WAIT状态如何避免
首先服务器可以设置SO_REUSEADDR套接字选（端口复用）来通知内核，如果端口忙，但TCP连接位于TIME_WAIT状态时可以重用端口，在一个非常有用的场景就是，如果你的服务器程序停止后想立即重启，而新的套接字依旧希望使用同一端口，此时SO_REUSEADDR选项就可以避免TIME_WAIT状态

也可以使用长连接的方式减少TCP的连接与断开，在场连接的业务中，往往不需要考虑TIME_WAIT的状态，但其实在长连接的业务中并发量一般不会太高

TCP如何实时监测断线情况
TCP正常的断开，通信双方都是知道的，但是非正常的断开，比如直接拔掉了网线，就只能靠如下两种方法，实现短时间内的检测
1.心跳包机制
心跳包机制是网游设计中常用的机制。从用户层面，自己发包去判断对方连接状态，可以根据情况，很灵活的使用。比如，20S发送一个最小的数据包。如果发送没有回应，就判断对方掉线了，断开后立即关闭socket
2.利用tcp_keepalive机制
利用TCP的机制，通过设置系统参数，从系统层面，监测tcp的连接状态。在配置socket属性时，使用 keepalive option，一旦有此配置，这些长时间无数据的链接会根据tcp的keepalive内核属性，在大于(tcp_keepalive_time)所对应的时间（单位为秒）之后，断开这些链接。

关于keep alive无论windows，还是linux，keepalive就三个参数：

keepalive_probes: 探测次数
keepalive_time: 探测的超时
keepalive_intvl: 探测间隔
对于一个已经建立的tcp连接，如果在keepalive_time时间内双方没有任何的数据包传输，则开启keepalive功能的一端将发送 eepalive数据包，若没有收到应答，则每隔keepalive_intvl时间再发送该数据包，发送keepalive_probes次。一直没有收到应答，则发送rst包关闭连接。若收到应答，则将计时器清零。

TCP最大连接数限制
Client最大TCP连接数client在每次发起TCP连接请求时，如果自己并不指定端口的话，系统会随机选择一个本地端口，该端口是独占的，不能和其他TCP连接共享。TCP端口的数据类型是unsigned short，因此本地端口个数最大只有65536，除了端口0不能使用外，其他端口在空闲时都可以正常使用，这样可用的端口最多有65535个

Server最大TCP连接数server通常固定在某个本地端口上监听，等待client的连接请求，不考虑地址重用的情况下，即使server段有多个ip，本地监听端口也是独占的，因此server端TCP连接4元组中只有客户端的IP地址和端口号是可变的，因此最大TCP连接为客户端IP数 x 客户端port数，在IPV4，不考虑IP地址分类的情况下，最大TCP连接数为2的32次方 x 2的16次方，也就是server端单机最大TCP连接数约为2的48次方

然而上面给出的只是理论上的单机最大连接数，在实际情况下，收到明文规定（一些IP地址和端口具有特殊意义，没有对外开放），急起资源，操作系统等限制，特别是server端，其最大并发TCP连接数远不能达到理论上限。对server端，通过增加内存，修改最大文件描述符个数等参数，单机最大并发TCP连接数超过10万是没有问题的