TCP协议原理

一、互联网协议是什么

1.1 TCP/IP模型

​ TCP/IP模型分五层，分别为：物理层，数据链路层，网络层，传输层，应用层。越往下的层越靠近硬件；越往上的层越靠近用户。

1.2 层与层之间的协议

​ 从下往上，每一层都会为上一层提供服务；每一层都会为数据进行封装。

​ 物理层：使用网线把电脑连接起来，由电信号0和1进行数据传输；

​ 数据链路层：使用以太网协议，对电信号进行分组，叫以太网数据包（数据帧），作用是解决局域网内部的点对点通信。以太网协议的数据传输方式是在局域网内进行广播，局域网内的机器根据数据帧“标头”上的目的MAC地址，来判断是否是发给自己。一个数据帧最长为1522个字节，数据长则分帧发送。以太网数据包分为标头(Head)和数据(Data)：“标头”的长度为22字节，主要储存目的MAC地址和源MAC地址；”数据“则是储存的数据包具体内容，比如IP数据包。

​ 网络层：作用是建立“主机”到”主机“的通信。主要协议有：ICMP，IP，ARP等。使用IP协议，为每台机器分配一个IP地址，IP地址可以根据ARP协议获取到当前机器的MAC地址，继而将获取到的MAC地址封装到以太网协议的“标头”进行广播。IP数据包分为标头(Head)和数据(Data)：”标头“主要储存的是目的IP地址和源IP地址，"数据"部分则是IP数据包的具体内容。IP数据包是直接放进以太网数据包的"数据"部分。

​ 传输层：作用是建立“端口“到”端口“的通信，即程序间的通信。主要协议有：TCP，UDP等。使用TCP协议，可以根据端口找到对应的程序，确保数据发送给机器上的指定程序；也可以提高数据传输的可靠性，即使数据包遗失，也会重发。TCP数据包分为标头(Head)和数据(Data)：”标头“主要储存的是目的端口和源端口，"数据"部分则是TCP数据包的具体内容。TCP数据包是直接放进IP数据包的"数据"部分。

​ 应用层：规定应用程序通信数据的格式。主要协议有：HTTP，websocket，FTP等。不同的应用协议有自己协定的格式，应用数据是直接放在TCP数据包的"数据"部分。

二、TCP协议

2.1 TCP数据包

​ TCP数据包是在IP数据包的“数据”里面，以太网数据包最大是1522个字节，去掉以太网的”标头“22个字节，则以太网数据实际负载为1500个字节，再去掉IP数据包和TCP数据包的”标头“及其格外头信息，所以TCP实际负载为1400字节左右。

​ TCP"标头"内的占位符：

​ 序号seq：数据包上的编号，首包编号随机生成，占4个字节；

​ 确认号ack：表示期待接受下一个数据包的编号，占4个字节；

​ 确认ACK：当ACK=1时，表示对接收到数据包的序列号确认有效，反之无效，占1个字节；

​ 同步SYN：当SYN=1，ACK=0时表示：这是一个连接请求报文段。若同意连接，则在响应报文段中使得SYN=1，ACK=1。因此，SYN=1表示这是一个连接请求，或连接接受报文。SYN这个标志位只有在TCP建产连接时才会被置1，握手完成后SYN标志位被置0；

​ 终止FIN：用来释放一个连接。FIN=1表示：此报文段的发送方的数据已经发送完毕，并要求释放运输连接。

2.2 TCP的可靠传输

​ 在网络层的IP协议上传输数据并不保证数据包的完整性，比如路由器丢包，需要知道丢的哪一个包，从而重新发送，就需要依靠TCP协议了。

​ 比如10MB的文件，TCP的实际负载时1400字节，那就需要发送7100多个包。为了7100多个包完整的发送到指定机器，TCP协议机制会为每一个包进行编号，第一个包的编号随机生成。假设第一个包的编号为1，这个包的实际负载长度为100个字节，那么可以推算出下一个包的编号是101，以此类推。

​ TCP协议在传输的过程中，发送端每发送一个数据包，接收端都会返回一个确认包即为ACK；假如数据包编号为100的遗失了，接收端会重复发送ack=100 ACK=1的确认包给发送端，直到发送端重新发送编号为100的为止，所以TCP保证了数据的完整性

三、TCP的三次握手和四次挥手

3.1 TCP的三次握手

​

​ 第一次握手：客户端发送一个SYN=1，随机生成序号seq=x的syn包给服务端，然后进入等待确认连接状态；

​ 第二次握手：服务端接收到syn包后，也返回一个(SYN+ACK)包，内容为ACK=1，随机生成序号seq=y，SYN=1，ack=x+1，然后进入等待确认连接状态；

​ 第三次握手：客户端收到(SYN+ACK)包后，向服务端返回序号为seq=x+1，ACK=1，ack=y+1的确认包，然后进入连接状态；服务端收到确认包后也把状态改为连接状态；

3.2 TCP的四次挥手

​

​ 第一次挥手：客户端发送请求断开连接数据包FIN=1，seq=u，进入等待断开状态；

​ 第二次挥手：服务端收到FIN包后，返回一个确认包，进入关闭等待状态，表示已经收到断开请求，但是还没有断开；然后将服务端上的缓存数据全部发给客户端；

​ 第三次挥手：等服务端上的缓存数据都给客户端之后，发送一个请求断开数据包FIN=1给客户端，然后进入确认等待关闭状态（如果客户端没有返回确认包，则重复发送）；

​ 第四次挥手：客户端收到服务端的FIN包后，返回一个确认包2分钟后自动断开；服务端收到确认包后立即断开。