计算机网络：传输控制协议（Transmission Control Protocol-TCP协议

本文目的

介绍TCP协议的内容，以及面试考点

前置知识点

1. 计算机网络基本知识。

TCP协议简介

全称Transmission Control Protocol，传输控制协议，运输层协议。

主要特性

参考《计算机网络》传输层协议TCP概述p211

1. 面向连接的运输层协议，传输前需要简历TCP连接
2. 每一条TCP协议都是点对点通信的
3. 提供可靠交付的数据，通过TCP连接传输的数据无差错，不丢失，不重复
4. 全双工通信
5. 面向字节流

通信流程

1. 建立连接的过程(三次握手，243)

需要阐明为什么每次交互会有这些标志位。

图解如下

1. 最开始客户端和服务器都处于关闭状态
2. 服务器创建传输控制块（TCB，Transmit Control Block），进入绑定自己的ip和端口进入监听（listen）状态。
3. 客户端创建TCB，已知服务器的ip和端口，向服务器发出连接请求报文，包括以下内容：（发送后进入同步已发送SYN_SENT状态）
   • SYN（SYNchronization）同步序号置1，表示这是一个连接请求报文。
   • seq初始序号x，该报文不携带数据但是需要消耗一个初始序号，也是服务器应答的依据（服务器需要应答x+1这样客户端才知道刚刚那条报文发过去了）
4. 服务器收到连接请求报文之后，如同意连接，返回确认报文段，包含以下内容：（发送后进入同步收到SYN_RCVD状态）
   • SYN同步序号置1，表示这是一个连接接受报文段。
   • seq初始序号y，同样的需要小号一个初始序号，也是客户端应答的依据。
   • 确认ACK = 1，ACK= 1的时候确认号字段（ack）才有效，建立连接后所有的报文段都要把ACK置1。
   • 确认号ack = x + 1，期望对方下一个报文段第一个字节的序号，表示x之前的数据都收到了。
5. 客户端收到连接确认报文之后，还要再给B发出确认，包含以下内容：（同时客户端已进入连接建立ESTABLISHED状态）
   • ACK = 1，seq = x + 1， ack = y + 1。
   • 可以包含数据，如果不包含则不消耗x + 1这个序列号。
6. 服务器收到之后进入连接建立ESTABLISHED状态，三次握手建立成功。

1.1 为什么要三次握手，两次不行吗？

参考《计算机网络》5.9 TCP的运输连接管理p239

两次握手可以避免已失效的连接请求报文段，客户端发送给服务器但是延迟送达，对于客户端来说早已失效（过期了），而且失效之后客户端没有再重发请求，但是服务器响应并且发回确认报文段，如果两次握手，服务器此时就开始建立连接，而客户端根本不会相应确认报文段，所以没连接，服务器就会干等消耗资源。

其他情况理论上都可以被三次握手解决。试图举反例举不出来。

2. 释放连接的过程(四次挥手，3343)

1. 最开始客户端和服务器都处于ESTABLISHED状态
2. 客户端发完要发的消息之后，需要释放连接，发出连接释放报文，包含以下内容：（同时进入终止等待1-FIN-WAIT-1状态）
   • FIN = 1，表示是一个连接释放报文
   • seq = u，释放报文需要消耗一个序号。
   • ACK = 1，理由同连接的时候一致。
3. 服务器收到连接释放报文之后需要立刻应答，表示收到了连接释放报文，包含以下内容：（同时进入关闭等待-CLOSE-WAIT状态）
   • ACK = 1
   • ack = u + 1
   • seq = v，需要消耗一个序号
4. 客户端收到之后进入终止等待2-FIN-WAIT-2状态，可能服务器还有一些消息要发，这个阶段如果服务器发消息，客户端也要接着收。这个时候TCP称之为半关闭状态。
5. 服务器也发完消息之后，发送连接释放报文，包含以下数据：（同时进入最后确认-LAST-ACK状态）
   • FIN = 1，表示释放连接报文
   • seq = w，因为因为可能半关闭期间发了些消息，所以不是v + 1。
   • ack = u + 1不变，因为客户端没发过消息了。
   • ACK = 1。
6. 客户端收到之后，发送最后确认，包含以下内容：（然后进入时间等待-TIME-WAIT状态）
   • ACK = 1
   • ack = w + 1
   • seq = u + 1
7. 服务器收到之后就可以关闭连接了
8. 客户端TIME-WAIT结束后也会断开连接。

2.1 TIME-WAIT时间等待状态是做什么的？

参考《计算机网络》5.9.2 TCP的连接释放p240

避免最后一个客户端发出的ACK报文丢失带来的问题。

时间等待计时器TIME-WAIT timer 是2MSL（Maximum Segment Lifetime）最长报文段寿命

1. 当最后一个报文丢失（超过了MSL）的时候，服务器收不到会卡在最后确认-LAST-WAIT状态，这个时候服务器可能会重新发送连接释放报文，客户端需要保证能收到，才有可能再次发送最后确认的报文。一来一回刚好是两倍的MSL。
2. 保证本次通信的所有报文都消失（2MSL之后肯定都消失了），防止旧的包干扰下一次连接
   • 个人理解不一定对：假设第一次发了两次连接请求，但是有一个卡在路上了，然后关闭了，然后卡在路上的那个又到服务器了，其实服务器是可以不用理的

参考文献

《计算机网络》传输层协议TCP概述p211
《计算机网络》5.9 TCP的运输连接管理p239
《计算机网络》5.9.2 TCP的连接释放p240