深入理解TCP协议及其源代码

一、TCP协议简介

传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）是为了在不可靠的互联网络上提供可靠的端到端字节流而专门设计的一个传输协议。 

互联网络与单个网络有很大的不同，因为互联网络的不同部分可能有截然不同的拓扑结构、带宽、延迟、数据包大小和其他参数。TCP的设计目标是能够动态地适应互联网络的这些特性，而且具备面对各种故障时的健壮性。 

不同主机的应用层之间经常需要可靠的、像管道一样的连接，但是IP层不提供这样的流机制，而是提供不可靠的包交换。 

应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，然后TCP把数据流分区成适当长度的报文段（通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传输单元（MTU）的限制）。之后TCP把结果包传给IP层，由它来通过网络将包传送给接收端实体的TCP层。TCP为了保证不发生丢包，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的包发回一个相应的确认（ACK）；如果发送端实体在合理的往返时延（RTT）内未收到确认，那么对应的数据包就被假设为已丢失将会被进行重传。TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误；在发送和接收时都要计算校验和。

每台支持TCP的机器都有一个TCP传输实体。TCP实体可以是一个库过程、一个用户进程，或者内核的一部分。在所有这些情形下，它管理TCP流，以及与IP层之间的接口。TCP传输实体接受本地进程的用户数据流，将它们分割成不超过64KB（实际上去掉IP和TCP头，通常不超过1460数据字节）的分段，每个分段以单独的IP数据报形式发送。当包含TCP数据的数据报到达一台机器时，它们被递交给TCP传输实体，TCP传输实体重构出原始的字节流。为简化起见，我们有时候仅仅用“TCP”来代表TCP传输实体（一段软件）或者TCP协议（一组规则）。根据上下文语义你应该能很消楚地推断出其实际含义。例如，在“用户将数据交给TCP”这句话中，很显然这里指的是TCP传输实体。

IP层并不保证数据报一定被正确地递交到接收方，也不指示数据报的发送速度有多快。正是TCP负责既要足够快地发送数据报，以便使用网络容量，但又不能引起网络拥塞：而且，TCP超时后，要重传没有递交的数据报。即使被正确递交的数据报，也可能存在错序的问题，这也是TCP的责任，它必须把接收到的数据报重新装配成正确的顺序。简而言之，TCP必须提供可靠性的良好性能，这正是大多数用户所期望的而IP又没有提供的功能。 

 

二、TCP协议的初始化及socket创建TCP套接字描述符

2.1 什么是socket

 

通信双方不在同一个主机通过socket进行通信，在计算机网络中我们就学过了tcp/ip协议族，其实使用tcp/ip协议族就能达到我们想要的效果，如下图

 

 

 

 但是为了使用的方便以及可重用性 各种语言都对函数进行了封装 形成了socket API 来进行对底层的调用，我们这次所要研究的就是socket调用TCP协议时候所进行的初始化过程以及socket是如何创建tcp套接字描述符以及他们的作用。

2.2 基于TCP/IP协议的服务器和客户端程序的一般流程

三次握手

最开始的时候客户端和服务器都是处于CLOSED状态。主动打开连接的为客户端，被动打开连接的是服务器。

TCP服务器进程先创建传输控制块TCB，时刻准备接受客户进程的连接请求，此时服务器就进入了**LISTEN（监听）**状态；
TCP客户进程也是先创建传输控制块TCB，然后向服务器发出连接请求报文，这是报文首部中的**同部位SYN=1，同时选择一个初始序列号 seq=x **，此时，TCP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。
TCP服务器收到请求报文后，如果同意连接，则发出确认报文。确认报文中应该 ACK=1，SYN=1，确认号是ack=x+1，同时也要为自己初始化一个序列号 seq=y，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。
TCP客户进程收到确认后，还要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1，ack=y+1，自己的序列号seq=x+1，此时，TCP连接建立，客户端进入**ESTABLISHED（已建立连接）**状态。TCP规定，ACK报文段可以携带数据，但是如果不携带数据则不消耗序号。
当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态，此后双方就可以开始通信了。
三次握手主要目的是：信息对等和防止超时。防止超时导致脏连接。如果使用的是两次握手建立连接，假设有这样一种场景，客户端发送了第一个请求连接并且没有丢失，只是因为在网络结点中滞留的时间太长了，由于TCP的客户端迟迟没有收到确认报文，以为服务器没有收到，此时重新向服务器发送这条报文，此后客户端和服务器经过两次握手完成连接，传输数据，然后关闭连接。此时此前滞留的那一次请求连接，网络通畅了到达了服务器，这个报文本该是失效的，但是，两次握手的机制将会让客户端和服务器再次建立连接，这将导致不必要的错误和资源的浪费。如果采用的是三次握手，就算是那一次失效的报文传送过来了，服务端接受到了那条失效报文并且回复了确认报文，但是客户端不会再次发出确认。由于服务器收不到确认，就知道客户端并没有请求连接。

 

 

 

 

 

四次挥手

数据传输完毕后，双方都可释放连接。最开始的时候，客户端和服务器都是处于ESTABLISHED状态，然后客户端主动关闭，服务器被动关闭。

客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入**FIN-WAIT-2（终止等待2）**状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。
服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了**LAST-ACK（最后确认）**状态，等待客户端的确认。
客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。
TIME_WAIT：主动要求关闭的机器表示收到了对方的FIN报文，并发送出了ACK报文，进入TIME_WAIT状态，等2MSL后即可进入到CLOSED状态。如果FIN_WAIT_1状态下，同时收到待FIN标识和ACK标识的报文时，可以直接进入TIME_WAIT状态，而无需经过FIN_WAIT_2状态。

CLOSE_WAIT：被动关闭的机器收到对方请求关闭连接的FIN报文，在第一次ACK应答后，马上进入CLOSE_WAIT状态。这种状态其实标识在等待关闭，并且通知应用发送剩余数据，处理现场信息，关闭相关资源。

 

 

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未完待续