TCP服务

在《TCP/IP协议的认识》一文中，我们知道TCP服务是属于传输层的。TCP提供了一种面向连接，提供可靠的，字节流传输服务。采用三次握手建立一个连接，采用4次挥手来关闭一个连接。

那么什么是面向连接，是不是还有面向无连接的传输服务？我们来简单了解一下

传输方式的分类

通过网络发送数据，大致可以分为面向有连接与面向无连接两种类型。

1、面向有连接型

面向有连接中，在发送数据之前，需要在收发主机之间连接一条通信线路。

举例：比如人们平常打电话，输入对方电话拨出之后，只有对方拿起电话才能真正通话，通话结束挂掉电话就如同切断电源。

优点：这样可以避免发送无谓的数据。

2）面向无连接型

面向无连接则不要求建立和断开连接。发送端可于任何时候自由发送数据。反之，接收端也永远不知道自己会在何时从哪里收到数据。因此，在面向无连接的情况下，接收端需要时常确认是否收到了数据。

举例：比如在邮局寄包裹，负责处理邮递业务的营业员，不需要确认收件人的详细地址是否存在，也不需要确认收件人是否能收到包裹，只要发件人有一个寄件地址就可以办理邮寄业务。

优点：这种方式可以省略某些既定的、繁杂的手续，使处理变得简单，易于制作一些低成本的产品，减轻处理负担。

TCP服务模型

这里，借用一下网络上别人的图，链接在下方贴出，来说明三次握手和四次挥手的过程以及状态变迁，如下图：

TCP 是面向连接的协议，所以使用 TCP 前必须先建立连接，而建立连接是通过三次握手来进行的。

我们来理解一下上图的含义：

一、三次握手：

TCP三次握手过程和状态变迁：

最开始，客户端和服务端都处于 CLOSED 状态。先是服务端主动监听某个端口，处于 LISTEN 状态。

1）客户端主动向服务器发送 SYN报文，之后，状态更改为SYN-SENT

2）服务器端收到 SYN报文后，向客户端发送SYN+ACK，之后，状态更改为SYN-RCVD

3）客户端收到服务端发来的数据包后，向服务器端发送ACK，之后，客户端状态更改为 ESTABLISHED。服务端接收到客户端的响应数据包，状态也更改为ESTABLISHED。

如何理解三次握手的作用

1）换个易于理解的角度来看为什么要3次握手？

客户端和服务端通信前要进行连接，“3次握手”的作用就是双方都能明确自己和对方的收、发能力是正常的。每次都是接收到数据包的一方可以得到一些结论，发送的一方其实没有任何头绪。

2）三次握手的目的并不只是让通信双方都了解到一个连接正在建立，还在于利用数据包的选项来传输特殊的信息，交换初始序列号ISN(Initial Sequence Number)。

那么客户端和服务端之间是如何交换(协商)序列号呢？我们通过下面的图了解一下：

再来分下客户端和服务器端交换序列号的过程：

1）客户端发送一个SYN段，并指明客户端的初始序列号，即ISN(c)。

2）服务端发送自己的SYN段作为应答，同样指明自己的ISN(s)。为了确认客户端的SYN，将ISN(c)+1作为ACK数值。这样，每发送一个SYN，序列号就会加1。如果有丢失的情况，则会重传。

3）为了确认服务器端的SYN，客户端将ISN(s)+1作为返回的ACK数值。

接下来以三个方面分析三次握手的原因：

三次握手才可以阻止重复历史连接的初始化（主要原因）
三次握手才可以同步双方的初始序列号
三次握手才可以避免资源浪费

下面用一张图来解释：

二、四次挥手

天下没有不散的宴席，对于 TCP 连接也是这样， TCP 断开连接是通过四次挥手方式。

1、TCP四次挥手过程和状态变迁

1）客户端向服务器发送 FIN , 之后客户端状态更改为FIN-WAIT-1

2）服务器端收到数据包后，还可以向客户端继续发送数据 DATA,发送之后，再发出 ACK ,之后服务器端状态更改为 CLOSE_WAIT

3）客户端收到服务器端发送的数据包，将状态更改为FIN-WAIT-2,不做回应。服务器端接着向客户端发送 FIN ,之后，服务器端状态更改为LAST-ACK

4）客户端收到服务器端的数据包后，向服务器端发送 ACK, 发送完后A进入TIME-WAIT时间等待状态，之后等待2MSL后，期间若未收到服务端的FIN+ACK报文，客户端的状态就会初始化为CLOSED。服务器端收到客户端发来的数据包后，将状态更为CLOSED，断开与该客户端连接，然后会迅速进入LISTEN收听状态，继续接受下一个客户端的请求连接。

2、为什么挥手需要四次？

再来回顾下四次挥手双方发 FIN 包的过程，就能理解为什么需要四次了。

1）关闭连接时，客户端向服务端发送 FIN 时，仅仅表示客户端不再发送数据了但是还能接收数据。
2）服务器收到客户端的 FIN 报文时，先回一个 ACK 应答报文，而服务端可能还有数据需要处理和发送，等服务端不再发送数据时，才发送 FIN 报文给客户端来表示同意现在关闭连接。
从上面过程可知，服务端通常需要等待完成数据的发送和处理，所以服务端的 ACK 和 FIN 一般都会分开发送，从而比三次握手导致多了一次。

说明：

1）3次握手是指发送了3个报文段，4次挥手是指发送了4个报文段。

2）SYN 和 FIN 段都是会利用重传进行可靠传输的。

3、四次挥手释放连接时，等待2MSL的意义?
MSL是Maximum Segment Lifetime的英文缩写，可译为“最长报文段寿命”，它是任何报文在网络上存在的最长时间，超过这个时间报文将被丢弃。在 Linux 系统中，MSL 被定义成 30 秒， 2MSL 就是 60 秒。

两个理由：

1）保证客户端发送的最后一个ACK报文段能够到达服务端。

这个ACK报文段有可能丢失，使得处于LAST-ACK状态的B收不到对已发送的FIN+ACK报文段的确认，服务端超时重传FIN+ACK报文段，而客户端能在2MSL时间内收到这个重传的FIN+ACK报文段，接着客户端重传一次确认，重新启动2MSL计时器，最后客户端和服务端都进入到CLOSED状态，若客户端在TIME-WAIT状态不等待一段时间，而是发送完ACK报文段后立即释放连接，则无法收到服务端重传的FIN+ACK报文段，所以不会再发送一次确认报文段，则服务端无法正常进入到CLOSED状态。

2）防止“已失效的连接请求报文段”出现在本连接中。

客户端在发送完最后一个ACK报文段后，再经过2MSL，就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失，使下一个新的连接中不会出现这种旧的连接请求报文段。

4、为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL才能返回到CLOSED状态？

理论上，四个报文都发送完毕，就可以直接进入CLOSED状态了，但是可能网络是不可靠的，有可能最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。

三、数据传输

要解决的问题：吞吐量、丢包、粘包、错误、超时重传，序号

1、ISN

三次握手的一个重要功能是客户端和服务端交换ISN(Initial Sequence Number), 以便让对方知道接下来接收数据的时候如何按序列号组装数据。

如果ISN是固定的，攻击者很容易猜出后续的确认号。因此ISN是根据一定的算法生成的随机序列号。

生成的算法：

ISN = M + F(localhost, localport, remotehost, remoteport)
M是一个计时器，每隔4毫秒加1。 F是一个Hash算法，根据源IP、目的IP、源端口、目的端口生成一个随机数值。要保证hash算法不能被外部轻易推算得出。

2、使用滑动窗口实现

1）如果一次只发送一个包，等待对方ack, 之后再发送一个包。。。这样会带来吞吐量低的问题。

2）滑动窗口的容量是固定的，一次可以发送多个包。并且给这些数据包按照序号标记上状态：已发送未ack,未发送未ack。比如4,5,6,7其中5,6,7已经ack，它会等待4被ack后，将4,5,6,7一起返回。

个人理解

每次是由客户端先主动发送网络数据包，服务器属于被动回应，这样设计是为了：

1. 避免建立无效连接，占用带宽

2. 客户端跟服务器：一般都是多对一，或者说客户端比服务器要多，从节省资源上考虑

参考链接：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/53374516

https://www.cnblogs.com/xiaolincoding/p/12638546.html