二、TCP/IP相关

数据在网络中传输最终一定是通过物理介质传输。物理介质就是把电脑连接起来的物理手段，常见的有光纤、双绞线，以及无线电波，它决定了电信号(0和1)的传输方式，物理介质的不同决定了电信号的传输带宽、速率、传输距离以及抗干扰性等等。网络数据传输就像快递邮寄，数据就是快件。只有路打通了，你的”快递”才能送到，因此物理介质是网络通信的基石。

寄快递首先得称重、确认体积(确认数据大小)，贵重物品还得层层包裹填充物确保安全，封装，然后填写发件地址(源主机地址)和收件地址(目标主机地址)，确认快递方式。对于偏远地区，快递不能直达，还需要中途转发。网络通信也是一样的道理，只不过把这些步骤都规定成了各种协议。

TCP/IP的模型的每一层都需要下一层所提供的协议来完成自己的目的。我们来看下数据是怎么通过TCP/IP协议模型从一台主机发送到另一台主机的。

当用户通过HTTP协议发起一个请求，应用层、传输层、网络互联层和网络访问层的相关协议依次对该请求进行包装并携带对应的首部，最终在网络访问层生成以太网数据包，以太网数据包通过物理介质传输给对方主机，对方接收到数据包以后，然后再一层一层采用对应的协议进行拆包，最后把应用层数据交给应用程序处理。

TCP/IP 与 HTTP

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议）是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇。TCP/IP 协议不仅仅指的是 TCP 和 IP 两个协议，而是指一个由FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等协议构成的协议簇，只是因为在TCP/IP协议中TCP协议和IP协议最具代表性，所以被称为TCP/IP协议。

而HTTP是应用层协议，主要解决如何包装数据。

“IP”代表网际协议，TCP 和 UDP 使用该协议从一个网络传送数据包到另一个网络。把IP想像成一种高速公路，它允许其它协议在上面行驶并找到到其它电脑的出口。TCP和UDP是高速公路上的“卡车”，它们携带的货物就是像HTTP，文件传输协议FTP这样的协议等。

TCP 与 UDP

都属于传输层协议。

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是面向连接的协议，也就是说，在收发数据前，必须和对方建立可靠的连接。一个TCP连接必须有三次握手、四次挥手。

UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是一个非连接的协议，传输数据之前源端和终端不建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上

	TCP	UDP
连接性	面向连接	面向非连接
传输可靠性	可靠	不可靠
报文	面向字节流	面向报文
效率	传输效率低	传输效率高
流量控制	滑动窗口	无
拥塞控制	慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复	无
传输速度	慢	快
应用场合	对效率要求低，对准确性要求高或要求有连接的场景	对效率要求高，对准确性要求低

TCP和UDP协议的一些应用

TCP连接的建立与终止

TCP虽然是面向字节流的，但TCP传送的数据单元却是报文段。一个TCP报文段分为首部和数据两部分，而TCP的全部功能体现在它首部中的各字段的作用。

TCP报文段首部的前20个字节是固定的（下图），后面有4n字节是根据需要而增加的选项（n是整数）。因此TCP首部的最小长度是20字节。

TCP报文首部

源端口和目的端口，各占2个字节，分别写入源端口和目的端口；
序列号（Sequence number），占4字节。序号范围是【0，2^32 - 1】，共2^32个序号。序号增加到 2^32-1后，下一个序号就又回到 0。TCP是面向字节流的。在一个TCP连接中传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号。整个要传送的字节流的起始序号必须在连接建立时设置。首部中的序号字段值则是指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。例如，一报文段的序号是301，而接待的数据共有100字节。这就表明：本报文段的数据的第一个字节的序号是301，最后一个字节的序号是400。显然，下一个报文段（如果还有的话）的数据序号应当从401开始，即下一个报文段的序号字段值应为401。这个字段的序号也叫“报文段序号”;
确认号（Acknowledge number），占4个字节，是期望收到对方下一个报文的第一个数据字节的序号。例如，B收到了A发送过来的报文，其序列号字段是501，而数据长度是200字节，这表明B正确的收到了A发送的到序号700为止的数据。因此，B期望收到A的下一个数据序号是701，于是B在发送给A的确认报文段中把确认号置为701；
数据偏移，占4位，它指出TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远。
保留，占6位，保留为今后使用，但目前应置为0；
紧急URG（URGent），当URG=1，表明紧急指针字段有效。告诉系统此报文段中有紧急数据；
确认ACK（ACKnowledgment），仅当ACK=1时，确认号字段才有效。TCP规定，在连接建立后所有报文的传输都必须把ACK置1；
推送PSH（PuSH），当两个应用进程进行交互式通信时，有时在一端的应用进程希望在键入一个命令后立即就能收到对方的响应，这时候就将PSH=1；
复位RST（ReSeT），当RST=1，表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立连接；
同步SYN（SYNchronization），在连接建立时用来同步序号。当SYN=1，ACK=0，表明是连接请求报文，若同意连接，则响应报文中应该使SYN=1，ACK=1；
终止FIN（FINis），用来释放连接。当FIN=1，表明此报文的发送方的数据已经发送完毕，并且要求释放；

窗口，占2字节，指的是通知接收方，发送本报文你需要有多大的空间来接受；

检验和，占2字节，校验首部和数据这两部分；
紧急指针，占2字节，指出本报文段中的紧急数据的字节数；
选项，长度可变，定义一些其他的可选的参数

TCP是一种面向连接的单播协议，在发送数据前，通信双方必须在彼此间建立一条连接。所谓的“连接”，其实是客户端和服务器的内存里保存的一份关于对方的信息，如ip地址、端口号等。

TCP 三次握手

所谓三次握手(Three-way Handshake)，是指建立一个 TCP 连接时，需要客户端和服务器总共发送3个包。

三次握手的目的是连接服务器指定端口，建立 TCP 连接，并同步连接双方的序列号和确认号，交换 TCP 窗口大小信息。

第一次握手(SYN=1, seq=x)

建立连接。客户端发送连接请求报文段，这是报文首部中的同步位SYN=1，同时选择一个初始序列号 seq=x ，此时，客户端进程进入了 SYN-SENT（同步已发送状态）状态。TCP规定，SYN报文段（SYN=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号；
第二次握手(SYN=1, ACK=1, seq=y, ACKnum=x+1)

服务器收到客户端的SYN报文段，如果同意连接，则发出确认报文。确认报文中应该 ACK=1，SYN=1，确认号ACKnum=x+1，同时，自己还要发送SYN请求信息，SYN=1，为自己初始化一个序列号 seq=y，服务器端将上述所有信息放到一个报文段（即SYN+ACK报文段）中，一并发送给客户端，此时，TCP服务器进程进入了SYN-RCVD（同步收到）状态。这个报文也不能携带数据，但是同样要消耗一个序号
第三次握手(ACK=1，ACKnum=y+1)

客户端收到服务器的SYN+ACK报文段，再次发送确认包(ACK)，SYN 标志位为0，ACK 标志位为1，确认号 ACKnum = y+1，这个报文段发送完毕以后，客户端和服务器端都进入ESTABLISHED（已建立连接）状态，完成TCP三次握手。

为什么需要三次握手呢？两次不行吗？

为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端，因而产生错误。

具体例子：“已失效的连接请求报文段”的产生在这样一种情况下：client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某个网络结点长时间的滞留了，以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。本来这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。于是就向client发出确认报文段，同意建立连接。假设不采用“三次握手”，那么只要server发出确认，新的连接就建立了。由于现在client并没有发出建立连接的请求，因此不会理睬server的确认，也不会向server发送数据。但server却以为新的运输连接已经建立，并一直等待client发来数据。这样，server的很多资源就白白浪费掉了。采用“三次握手”的办法可以防止上述现象发生。例如刚才那种情况，client不会向server的确认发出确认。server由于收不到确认，就知道client并没有要求建立连接。”

TCP 四次挥手

TCP 的连接的拆除需要发送四个包，因此称为四次挥手(Four-way handshake)，也叫做改进的三次握手。客户端或服务器均可主动发起挥手动作。

第一次挥手(FIN=1，seq=x)

主机1（可以使客户端，也可以是服务器端），设置seq=x，向主机2发送一个FIN报文段；此时，主机1进入FIN_WAIT_1状态；这表示主机1没有数据要发送给主机2了；
第二次挥手(ACK=1，ACKnum=x+1)

主机2收到了主机1发送的FIN报文段，向主机1回一个ACK报文段，Acknnum=x+1，主机1进入FIN_WAIT_2状态；主机2告诉主机1，我“同意”你的关闭请求；
第三次挥手(FIN=1，seq=y)

主机2向主机1发送FIN报文段，请求关闭连接，同时主机2进入LAST_ACK 状态
第四次挥手(ACK=1，ACKnum=y+1)

主机1收到主机2发送的FIN报文段，向主机2发送ACK报文段，然后主机1进入TIME_WAIT状态；主机2收到主机1的ACK报文段以后，就关闭连接；此时，主机1等待2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那好，主机1也可以关闭连接了，进入 CLOSED 状态。

主机 1 等待了某个固定时间（两个最大段生命周期，2MSL，2 Maximum Segment Lifetime）之后，没有收到服务器端的 ACK ，认为服务器端已经正常关闭连接，于是自己也关闭连接，进入 CLOSED 状态。

为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手？

因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，"你发的FIN报文我收到了"。只有等到我Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。

由于 TCP 协议是全双工的，也就是说客户端和服务端都可以发起断开连接。两边各发起一次断开连接的申请，加上各自的两次确认，看起来就像执行了四次挥手。

为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态？

虽然按道理，四个报文都发送完毕，我们可以直接进入CLOSE状态了，但是我们必须假象网络是不可靠的，有可以最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。

还有一个原因，防止类似与“三次握手”中提到了的“已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中。客户端发送完最后一个确认报文后，在这个2MSL时间中，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。这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文。