TCP网络协议概述

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。

专有名词

MTU：最大传输单元，一般为1500

MSS：最大段大小， MSS = MTU - 20（IP头大小）- 20（TCP头大小）= 1500 - 20 -20 = 1460

MSL：报文最大生存时间，一般为30秒

网络分层

• 应用层

  对应协议有 HTTP，DNS，SMTP，FTP等

• 传输层

  对应协议有TCP，UDP

• 网络互联层

  IP 协议

• 网络访问层

  网络访问层也有说法叫做网络接口层，以太网、Wifi、蓝牙工作在这一层，网络访问层提供了主机连接到物理网络需要的硬件和相关的协议，对应协议：Ethernet。

TCP连接建立（三次握手）

1. 第一次握手：客户端发送一个 SYN 报文段。

   该报文不携带数据，但是占用一个序列号（凡是消耗序列号的 TCP 报文段，一定需要对端确认。如果这个段没有收到确认，会一直重传直到达到指定的次数为止），该报文需要服务端确认。初始序列号（ISN）是由客户端随机生成的一个数字，下次发送数据序列号要加一。

2. 第二次握手：服务端接收到客户端发送的SYN报文后，发送一个SYN报文和ACK报文给客户端。

   SYN的序列号值是服务端随机生成的一个数字，ACK的作用是告诉发送端上次发送端SYN报文我收到了，ACK的确认号值是客户端发送过来的序列号值加一（ISN + 1），指定了发送端下次发送的序列号。

3. 第三次握手：客户端接收到服务的SYN和ACK报文段后，发送一个ACK段给服务端，用来确认收到了服务端的SYN段。

   因为该ACK段不携带数据，也不需要被确认，因此不消耗序列号。

总结 ：TCP的三次握手主要就是交换彼此的初始序列号，还有就是交换一些辅助信息：最大段大小（MSS）、窗口大小（Win）、窗口缩放因子（WS)、是否支持选择确认（SACK_PERM）等。

TCP断开连接（四次挥手）

1. 客户端发送一个FIN报文给服务端，自身连接状态由 ESTABLISHED 进入 FIN- WAIT-1。

   此时客户端不能发送数据给服务端，但还能接收服务端数据。

2. 服务端接收到FIN报文，回复一个ACK报文给客户端，进入 CLOSE_WAIT 状态，客户端收到ACK报文后进入 FIN- WAIT-2 状态。

3. 服务端没有数据要发送后，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. 客户端收到第三步服务端发送的FIN报文后，回复一个ACK报文给服务端，进入 TIME- WAIT 状态，等待两个MSL（MSL报文最大生存时间，正常是30秒）后进入CLOSED状态， 服务端收到ACK后进入CLOSED状态。

TCP 端口

在传输层，我们根据端口来区分不同应用程序

• 端口类型

  • 熟知的端口：熟知端口号由专门的机构由 IANA 分配和控制，范围为 0~1023。为了能让客户端能随时找到自己，服务端程序的端口必须要是固定的。很多熟知端口号已经被用就分配给了特定的应用，比如 HTTP 使用 80端口，HTTPS 使用 443 端口，ssh 使用 22 端口。

  • 已登记的端口：已登记的端口不受 IANA 控制，不过由 IANA 登记并提供它们的使用情况清单。它的范围为 1024～49151，已登记的端口常见的端口号有：

    MySQL：3306，Redis：6379，MongoDB：27017

  • 临时端口：如果应用程序没有调用 bind() 函数将 socket 绑定到特定的端口上，那么 TCP 和 UDP 会为该 socket 分配一个唯一的临时端口。IANA 将 49152～65535 范围的端口称为临时端口（ephemeral port）或动态端口（dynamic port），也称为私有端口（private port），这些端口可供本地应用程序临时分配端口使用。

    不同的操作系统实现会选择不同的范围分配临时端口，在 Linux 上能分配的端口范围由 /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range 变量决定，一般 Linux 内核端口范围为 32768~60999

TCP是如何保证传输可靠性的

• 超时重传

• 快速重传

• 滑动窗口

• 拥塞控制

• Nagle 算法

• 延迟确认

• Keepalive