TCP协议详解（TCP建立连接与断开连接）

TCP是面向连接的、可靠的进程到进程通信的协议。它提供的是全双工（双向可传输）的服务，每个TCP都有发送缓存和接受缓存，用来临时存储数据。

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1、TCP报文段：
TCP把若干个字节构成一个分组，称为报文段（segment）。TCP报文段封装在IP数据报中，TCP报文段的首部格式如下图所示：

首部长度为20~60个字节，一下是各个字段的含义：
①：源端口号：它是16位字段，为发送发进程对应的端口号；
②：目标端口号：它是16位字段，对应的是接收端的进程，接收端收到数据段后，根据这个端口号来确定把数据送给哪个应用程序的进程。
③：序号：当TCP从进程接受数据字节时，就把它们存储在发送缓存中，并对每一个字节都进行编号。编号的特点如下：

• 编号不一定从0开始，一般会产生一个随机数作为第一个字节的编号，称为初始序列号（ISN）
• TCP每个方向的编号是相互独立的。
• 当字节都被编上号后，TCP就给每个报文段指派一个序号，序号就是该报文段中第一个字节的编号。
  当数据到达目的地后，接收端会按照这个序号把数据重新排列，保证数据的正确性。
  ④：确认号：对发送端的确认信息，用它来告诉发送端这个序号之前的数据段都已经收到，如确认段是8，就是表示前7个数据段都已经收到。
  ⑤：首部长度：用它可以确定首部数据结构的字节长度。一般情况下TCP首部是20个字节，但首部长度最大可以扩展为60字节。
  ⑥：保留：这部分保留位供今后扩展功能用，目前还没有使用到。
  ⑦：控制位：这六位有很重要的作用，TCP的连接、传输和断开都受这六个控制位的指挥。各位含义如下：
• URG：紧急指针有效位。
• ACK：只有当ACK=1时，确认序列号字段才有效；当ACK=0时，确认号字段无效。
• PSH：标志位为1时，要求接受方尽快将数据段送达应用层。
• RST：当RST值为1时，通知重新建立TCP连接。
• SYN：同步序号位，TCP需要建立连接时将这个值设为1。
• FIN：发送端完成发送任务，当TCP完成数据传输需要断开连接时，提出断开连接一方将这个值设为1。
  ⑧：窗口大小：说明本地可接受数据段的数目，这个值得大小是可变的，当网络顺畅时将这个窗口值变大以加快传输速度，当网络不稳定时减小这个值可保证网络数据的可靠传输，TCP中的流量控制机制就是依靠变化窗口的大小实现的。
  ⑨：校验和：用来做差错控制，与IP的校验和不同，TCP校验和的计算包括TCP首部、数据和其他填充字节。在发送TCP数据段时，由发送端计算校验和，当到达目的地时又进行一次校验和计算。若这两次的校验和一致，则说明数据基本是正确的，否则将认为该数据已被破坏，接受端将丢弃该数据。
  ⑩：紧急指针：和URG配合使用，当URG=1时有效。
  ⑪：选项：在TCP首部可以有多达40字节的可选信息。

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2、TCP连接：
TCP是面向连接的协议，它在源点和终点之间建立一条虚连接。TCP报文段封装成IP数据报后，每一个IP数据报可以走不同的路径到达终点，因此收到的IP数据报可能不按顺序到达，甚至可能丢失或损坏。如果一个报文段没有按顺序到达，那么TCP保留它，然后等待它之前的报文段到达；如果一个报文段丢失或损坏，那么TCP就要重传。总之，TCP保证报文段是有序的。
在数据通信之前，发送端与接收端要先建立连接；等待数据发送结束后，双方再断开连接。TCP连接的每一方都是由一个IP地址和一个端口号组成的。

（1）建立连接：

TCP建立连接的过程称为“三次握手”，要想在两台主机间使用TCP协议传输数据，那么它必定会在传输数据之前经过“三次握手”来建立连接。

可以使用打电话的例子来简单解释三次握手：
A : 你好我是A，你听得到我在说话吗
B : 听到了，我是B，你听到我在说话吗
A : 嗯，听到了　
建立连接，开始聊天！（这就相当于三次握手）

那么客户端访问服务器上的网站时，它三次握手的数据包含有的信息如下：

• 第一次握手：客户端使用一个随机的端口号向服务器端的80/443端口发送建立连接的请求，此过程的典型标志就是TCP的SYN控制位为1，其他五个控制位全为0。

• 第二次握手：实际上是分两部分来完成的。当服务端接受到了客户端的请求，向客户端回复一个确认消息，此过程的典型标志就是TCP的ACK控制位为1，其他五个控制位全为0，而且确认序列号是客户端的初始序列号+1。
  服务端也向客户端发送建立连接的请求，此过程的典型标志和第一次握手一样。
  为了提高效率，一般将这两部分合并在一个数据包里实现。

• 第三次握手：客户端收到了服务端的回复（包含请求和确认），也要向服务端回复一个确认信息，此过程的典型标志就是TCP的ACK控制位为1，其他五个控制位全为0，而且确认序列号是服务端的初始序列号+1。

这样就完成了三次握手，客户端与服务端之间就建立了TCP连接。三次握手可以总结为下图所示的过程：

上图中Seq表示请求序列号，ACK表示确认序列号，SYN和ACK为控制位，可以看出SYN位只有在请求建立连接时才被设置为1。

TCP使用面向连接的通信方式，它提高了数据传输的可靠性，使发送端和接收端在数据正式传输之前就有了交互，为数据正式传输打下了可靠的基础。

（2）断开连接：

参加交换数据的双方中的任何一方（客户端或服务端）都可以关闭连接。TCP断开连接分四步，也称为四次握手，具体过程如下：

1. 服务器向客户端发送FIN和ACK位置1的TCP报文段。
2. 客户端向服务器返回ACK位置1的TCP报文段（此时已经单向断开了连接）。
3. 客户端向服务端发送FIN和ACK位置1的TCP报文段。
4. 服务端向客户端返回ACK位置1的TCP报文段。

在TCP断开连接的过程中，有一个半关闭的概念，TCP的一方（通常是客户端）可以终止发送数据，但仍然可以接受数据，称为半关闭。主要是用在客户端不需要发送数据了，会发送一个FIN报文段，半关闭这个连接，服务器发送ACK报文段接受半关闭，服务端会继续传输数据，而客户端只发送ACK确认，不再发送任何数据。当服务端把所有的数据发送完毕时，就发送FIN报文段，客户端再发送ACK报文段，这样就断开了TCP连接。

为什么TCP协议终止连接要四次？

1、当客户端确认发送完数据且知道服务端已经接受完了，想要关闭发送数据口（当然确认信号还是可以发），就会发FIN给服务端。

2、服务端收到客户端发送的FIN，表示收到了，就会发送ACK回复。

3、但这时服务端可能还在发送数据，没有想要关闭数据口的意思，所以FIN与ACK不是同时发送的，而是等到服务端数据发送完了，才会发送FIN给客户端。

4、客户端收到服务端发来的FIN，知道服务端的数据也发送完了，回复ACK， 客户端等待2MSL以后，没有收到B传来的任何消息，知道服务端已经收到自己的ACK了，客户端就关闭连接，服务端也关闭连接了。