TCP教程:详解TCP连接过程

一 、简述

通常情况下，一个正常的TCP连接，都会有三个阶段:

1、TCP三次握手;
2、数据传送;
3、TCP四次挥手

SYN: (同步序列编号,Synchronize Sequence Numbers)该标志仅在三次握手建立TCP连接时有效。表示一个新的TCP连接请求。

ACK: (确认编号,Acknowledgement Number)是对TCP请求的确认标志,同时提示对端系统已经成功接收所有数据。

FIN: (结束标志,FINish)用来结束一个TCP回话.但对应端口仍处于开放状态,准备接收后续数据。

1. 建立连接协议（三次握手）

   （1）客户端发送一个带SYN标志的TCP报文到服务器。这是三次握手过程中的报文1。

   （2） 服务器端回应客户端的，这是三次握手中的第2个报文，这个报文同时带ACK标志和SYN标志。因此它表示对刚才客户端SYN报文的回应；同时又标志SYN给客户端，询问客户端是否准备好进行数据通讯。

   （3） 客户必须再次回应服务段一个ACK报文，这是报文段3。

2. 连接终止协议（四次挥手）：

   （1）TCP客户端发送一个FIN，用来关闭客户端到服务器的数据传送（报文4）。

   （2）服务器收到这个FIN，发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1（报文5）。

   （3）服务器关闭客户端的连接，发送一个FIN给客户端（报文6）。

   （4）客户端发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1（报文7）

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这篇文章主要介绍TCP连接过程，另外过程中涉及到TCP各种状态，可以查看我的这篇文章：探索TCP状态机之旅：发现网络连接的生命周期与神秘魅力

二 、TCP建立连接协议（三次握手）

2.1 概述及目的

在TCP协议中，三次握手是建立连接的关键过程。在通信双方进行数据传输之前，它们需要通过三次握手来确认双方的通信能力，并同步彼此的初始序列号。这一过程确保了连接的稳定性和数据传输的准确性。以下详细介绍三次握手的目的：

• TCP连接的建立：TCP协议是基于连接的协议，因此在双方开始传输数据之前，必须先建立连接。三次握手是连接建立过程中的关键步骤，它为后续的数据传输奠定基础。
• 双方的通信能力确认：通过三次握手，客户端和服务器可以确认彼此具有发送和接收数据的能力。在握手过程中，双方分别发送和接收特定格式的TCP报文，验证彼此的通信能力。这有助于确保连接建立后，数据能够正确地在双方之间传输。
• 初始序列号同步：TCP协议中，每个数据包都有一个序列号。在三次握手过程中，客户端和服务器会交换并确认彼此的初始序列号。这样，在后续的数据传输过程中，双方可以根据序列号来跟踪和确认数据包的发送和接收情况，从而确保数据的完整性和有序性。

通过三次握手，TCP协议为双方建立了一个稳定、可靠的连接，为后续的数据传输提供了基础。

2.2 第一次握手：客户端发送SYN报文

客户端创建套接字

在TCP连接的建立过程中，客户端首先需要创建一个套接字（socket），它是用于处理TCP连接的一个数据结构。套接字包含了连接所需的所有信息，如本地和远程地址、端口号等。

设置SYN标志位和初始序列号
客户端准备好与服务器建立连接后，会创建一个TCP报文段。在这个报文段中，客户端会设置SYN（Synchronize Sequence Numbers）标志位，表示请求建立连接。同时，客户端会生成一个随机的初始序列号（ISN，Initial Sequence Number），并将其放入报文段的序列号字段。

客户端进入SYN_SENT状态
客户端发送SYN报文段后，会进入SYN_SENT状态。在此状态下，客户端等待服务器的响应。如果在一定时间内没有收到服务器的响应，客户端可能会重发SYN报文段，并重新计时等待响应。

这一步中，客户端向服务器发起连接请求，表明其希望与服务器建立TCP连接，并提供客户端的初始序列号。通过发送SYN报文段，客户端将自己的连接意图和通信参数传递给服务器。

2.3 第二次握手：服务器回应SYN-ACK报文

服务器接收到SYN报文
当服务器收到客户端发送的SYN报文后，会解析其中的信息，如客户端的初始序列号。服务器根据这些信息，准备好与客户端建立连接。

服务器创建套接字，设置SYN和ACK标志位
服务器同样需要创建一个套接字，用于处理与客户端的TCP连接。在准备好回应客户端的报文时，服务器会设置SYN标志位，并生成自己的初始序列号。同时，服务器会设置ACK（Acknowledgement）标志位，并将客户端的初始序列号加1作为确认号（acknowledgment number），以告知客户端已收到其连接请求。

服务器确认客户端的初始序列号，并提供自己的初始序列号
通过回应的SYN-ACK报文，服务器告知客户端已收到其初始序列号，并提供了自己的初始序列号。这样，双方就可以根据彼此的序列号在后续的通信过程中对数据包进行追踪和确认。

服务器进入SYN_RECEIVED状态
在发送SYN-ACK报文后，服务器进入SYN_RECEIVED状态。此时，服务器等待客户端发送的最后一个握手报文。如果在一定时间内没有收到客户端的响应，服务器可能会重发SYN-ACK报文，并重新计时等待响应。

在第二次握手过程中，服务器收到客户端的连接请求，并通过回应的SYN-ACK报文与客户端进行确认。这一过程确保服务器已准备好建立连接，并且可以与客户端进行通信。

2.4 第三次握手：客户端回应ACK报文

• 客户端接收到SYN-ACK报文：当客户端收到服务器发来的SYN-ACK报文后，会解析其中的信息，如服务器的初始序列号和确认号。客户端通过这些信息进一步确认服务器已准备好建立连接，并可以进行通信。
• 客户端确认服务器的初始序列号：客户端会检查服务器发送的确认号（acknowledgment number）是否与自己的初始序列号加1相等。如果确认号正确，说明服务器已收到客户端的连接请求，并且双方的初始序列号已经同步。
• 客户端发送ACK报文并更新序列号：客户端会发送一个ACK报文给服务器，以确认已收到服务器的SYN-ACK报文。在这个报文中，客户端会设置ACK标志位，并将服务器的初始序列号加1作为确认号。同时，客户端会更新自己的序列号。
• 客户端和服务器进入ESTABLISHED状态：在客户端发送ACK报文后，客户端和服务器都会进入ESTABLISHED状态，这意味着TCP连接已成功建立。从这一刻开始，双方可以开始进行数据传输。

通过第三次握手，客户端和服务器完成了连接建立过程。此时，双方已确认彼此的通信能力，同步了初始序列号，并进入了可以进行数据传输的状态。三次握手过程的最后一步，进一步确保了连接的可靠性和准确性。

2.5 顾客预定座位场景

三次握手（Three-Way Handshake）是TCP协议中用于建立连接的过程。我们可以用餐厅预订座位的场景来类比三次握手：

1. 客户端（顾客）发送SYN报文（报文1）：顾客打电话给餐厅（服务器），请求预订一个座位。这相当于客户端发送一个SYN报文，表示要建立连接。
2. 服务器（餐厅）回应SYN+ACK报文（报文2）：餐厅接到电话后，确认有空余座位，并告知顾客可以预订。这相当于服务器发送一个SYN+ACK报文，表示接受连接请求并准备好接收数据。
3. 客户端（顾客）回应ACK报文（报文3）：顾客收到餐厅的确认信息后，向餐厅回应表示知晓。这相当于客户端发送一个ACK报文，表示收到了服务器的确认信息。

此时，顾客和餐厅之间建立了成功的连接，类似于TCP协议中通过三次握手完成的连接建立过程。在这个类比中，顾客和餐厅就像客户端和服务器，通过三次通信来确保双方都准备好进行数据传输。

2.6 底层原理

TCP三次握手的底层原理主要是为了确保双方的发送和接收都能正常工作，以便在网络传输过程中进行可靠的数据传输。以下是底层原理的详细解释：

1. 序列号（Sequence Number）：TCP协议使用序列号来追踪每个报文段（Segment）的数据。序列号是每个数据段的字节流中的第一个字节的编号。在三次握手过程中，客户端和服务器双方都生成一个初始序列号（Initial Sequence Number，ISN），确保数据传输过程中各自都有一个独立的、正确的计数基准。
2. 确认序列号（Acknowledgment Number）：为了确认已经接收到对方发送的数据，TCP协议使用确认序列号。确认序列号表示期望接收到的下一个字节的序列号。在三次握手过程中，双方通过确认序列号确认对方已收到自己的SYN报文。
3. SYN（Synchronize Sequence Numbers）标志：SYN标志位用于发起一个新的连接。当发送一个带有SYN标志的报文时，表示请求建立一个连接。在三次握手的过程中，客户端和服务器分别发送一个带有SYN标志的报文，以便同步各自的初始序列号。
4. ACK（Acknowledgment）标志：ACK标志位用于确认收到对方的报文。当发送一个带有ACK标志的报文时，表示已经收到对方的报文，并确认其序列号。在三次握手过程中，双方通过发送带有ACK标志的报文，确认彼此已经收到连接请求和回应。

通过上述四个要素，TCP协议确保了双方在数据传输过程中能够同步序列号、确认收到对方的报文以及确保双方的发送和接收能力。这为后续的可靠数据传输奠定了基础。TCP三次握手正是基于这些底层原理来实现的。

2.7 TCP 建立连接过程中出错的情形

当TCP三次握手过程中的某个阶段出现错误时，可能会导致连接建立失败或者其他问题。下面我们分析每个阶段出错时可能出现的情况：

1. 第一阶段（报文1）出错：

   如果客户端在发送SYN报文时出错，如报文丢失或损坏，服务器将无法收到连接请求。在这种情况下，服务器不会回应客户端，而客户端会在一定时间内重发SYN报文。如果重发次数超过预设阈值，客户端将放弃连接请求，导致连接建立失败。

2. 第二阶段（报文2）出错：

   如果服务器在回应客户端的SYN报文时出错，如SYN-ACK报文丢失或损坏，客户端将无法收到服务器的回应。在这种情况下，客户端会继续等待一段时间，然后重发SYN报文。如果重发次数超过预设阈值，客户端将放弃连接请求，导致连接建立失败。

3. 第三阶段（报文3）出错：

   如果客户端在发送ACK报文时出错，如报文丢失或损坏，服务器将无法收到客户端的确认。在这种情况下，服务器会认为客户端尚未收到SYN-ACK报文，可能会在一定时间内重发SYN-ACK报文。如果客户端收到重发的SYN-ACK报文，将再次发送ACK报文。但如果重发次数超过预设阈值，服务器可能会放弃连接请求，导致连接建立失败。

总之，TCP协议在设计时已经考虑到了报文丢失或损坏的情况，并通过重发机制来解决这些问题。但在某些极端情况下，如网络状况非常差或者重发次数超过阈值，连接建立仍可能失败。

2.8 三次握手的重要性

• 防止已失效的连接请求报文突然传到服务端，产生错误：TCP三次握手可以防止已失效的报文段在网络中延迟传输，以致于在连接已经建立后又传到服务端。如果没有三次握手，这些失效的报文段可能导致服务端错误地重新建立连接，从而影响通信质量。
• 双方确认通信能力：三次握手过程中，客户端和服务器分别发送和接收TCP报文，确认彼此的通信能力。这有助于确保双方在建立连接后可以正确地发送和接收数据。
• 确保双方初始序列号同步：在三次握手过程中，双方会交换并确认彼此的初始序列号。这样，在后续的数据传输过程中，双方可以根据序列号来跟踪和确认数据包的发送和接收情况，从而确保数据的完整性和有序性。

三次握手过程为TCP连接的建立提供了稳定性和可靠性，使得客户端和服务器能够顺利地进行数据传输。这一过程是TCP协议中不可或缺的重要环节，它为后续的通信过程奠定了基础。

三 、TCP连接终止协议（四次挥手）

3.1 优雅的关闭（graceful close）机制

优雅的关闭（graceful close）机制是TCP协议中用于确保在关闭连接时，双方都能发送和接收到彼此的所有数据。这个机制采用了四次挥手的过程，使得双方在结束连接前都能有充分的时间确认对方已收到所有数据。以下是优雅关闭的详细步骤：

1. 当一方（通常是客户端）决定关闭连接时，它会发送一个FIN报文，表示该方向上没有更多数据要传送。这意味着这一方向的连接即将关闭。
2. 当另一方（通常是服务器端）收到FIN报文后，会发送一个ACK报文来确认收到FIN报文。这一阶段，连接的另一方向仍然可以传输数据。
3. 如果另一方还有数据需要发送，它可以继续发送数据，直到最后一个数据包发送完毕。这样，另一方也可以确保所有数据都已经发送给对方。
4. 当另一方确信所有数据都已发送完毕，它也会发送一个FIN报文，表示该方向的连接即将关闭。
5. 当第一方收到这个FIN报文后，它会发送一个ACK报文来确认收到FIN报文。
6. 当另一方收到这个ACK报文后，双方的连接即可完全关闭。

优雅关闭机制的主要目的是确保连接的双方都有足够的时间来处理和确认收到所有数据。这种关闭方式避免了在连接突然中断时可能出现的数据丢失问题，从而确保了数据传输的可靠性。

3.2 半关闭（Half-closed）状态

在TCP连接中，半关闭（Half-closed）状态是指在双向连接中，一方已经关闭了数据传输通道，但另一方仍然可以继续发送数据。这种状态通常发生在四次挥手过程中，当一方发送FIN报文后，但在另一方发送FIN报文之前。在这段时间里，连接被认为是半关闭的。

半关闭状态的具体过程如下：

1. 一方（通常是客户端）决定关闭连接，并发送一个FIN报文。此时，这一方向的连接被关闭。
2. 另一方（通常是服务器端）收到FIN报文后，会发送一个ACK报文来确认收到FIN报文。此时，连接另一方向仍然处于打开状态。
3. 在收到FIN报文的一方发送ACK报文之后，连接进入半关闭状态。这意味着虽然一方已经关闭了数据传输通道，但另一方仍然可以继续发送数据。
4. 当另一方发送完剩余的数据后，它也会发送一个FIN报文，以关闭该方向的连接。
5. 当第一方收到这个FIN报文后，它会发送一个ACK报文来确认收到FIN报文。
6. 当另一方收到这个ACK报文后，双方的连接即可完全关闭。

半关闭状态的存在主要是为了确保在关闭连接的过程中，仍然允许一方在另一方已经关闭数据传输通道的情况下，继续发送剩余数据。这种状态为TCP提供了一种灵活的关闭方式，确保了数据传输的完整性。

3.3 Time-Wait状态的作用与需要

Time-Wait状态是TCP连接中的一种特殊状态，当一个连接处于这个状态时，它已经完成了四次挥手过程，双方都同意关闭连接。然而，在进入CLOSED状态之前，连接需要等待一段时间，这个等待时间通常是2倍的最大报文段生存时间（2MSL）。

Time-Wait状态的主要作用和原因如下：

1. 确保最后一个ACK报文的成功传输：在四次挥手过程中，最后一个ACK报文由一方发送给另一方，以确认收到对方的FIN报文。由于网络的不可靠性，这个ACK报文可能会丢失。Time-Wait状态确保了在这种情况下，发送方可以重新发送丢失的ACK报文。在等待2MSL的时间内，如果发送方没有收到对方发出的FIN报文重传，说明ACK报文已经成功到达。
2. 避免旧报文段在新连接中产生干扰：在TCP连接中，报文段可能因网络延迟等原因而滞留在网络中。这些滞留的报文段可能在连接关闭后的一段时间内到达接收方。为了避免这些滞留报文段在新建立的连接中产生干扰，需要让连接处于Time-Wait状态一段时间。这段时间通常设置为2MSL，是因为这个时间足够长，可以确保滞留报文段在网络中消失。

总之，Time-Wait状态在TCP连接中起到了重要作用，它确保了最后一个ACK报文的成功传输，同时避免了旧报文段在新连接中产生干扰。这样可以确保TCP连接的可靠性和数据传输的完整性。

3.4 顾客离开餐厅过程

当两个设备建立了TCP连接，数据传输完毕后，它们需要终止连接。这个过程被称为四次挥手（Four-Way Handshake）。让我们用餐厅就餐的场景来类比四次挥手：

1. 客户端（顾客）发送一个FIN报文（报文4）：顾客在享用完餐后，向服务员（服务器）表示要离开，相当于客户端发送一个FIN报文，表示客户端不再发送数据。
2. 服务器（服务员）回应一个ACK报文（报文5）：服务员收到顾客的请求，回应一个ACK表示收到了顾客的请求。此时，服务员还需要处理其他工作（如收拾餐具、清理桌面等），所以不能立即关闭连接。
3. 服务器（服务员）发送一个FIN报文（报文6）：服务员完成了收拾工作，向顾客发送一个FIN报文，表示服务员也不再发送数据，即服务器到客户端的数据传送通道即将关闭。
4. 客户端（顾客）回应一个ACK报文（报文7）：顾客收到服务员发来的FIN报文，向服务员发送一个ACK报文表示已经收到，此时双方都确认不再发送数据。最后，顾客离开餐厅，TCP连接被成功终止。

通过这个类比，我们可以更直观地理解四次挥手在TCP连接终止过程中的作用。

3.5 底层原理

虽然四次挥手与三次握手有一定的相似性，但它们的目的和关注点不同。在四次挥手中，关键是确保数据传输的完整性和双方都同意关闭连接。

1. 半关闭（Half-close）状态：在TCP协议中，连接的每一方都可以独立地关闭它们的发送通道。半关闭状态是指一方已经关闭了发送通道，但仍然可以接收来自另一方的数据。在四次挥手过程中，主动关闭方首先进入半关闭状态，停止发送数据，但仍然可以接收数据。
2. FIN（Finish）标志：FIN标志用于表示一方已经完成数据传输，并希望关闭连接。在四次挥手过程中，主动关闭方和被动关闭方都会发送带有FIN标志的报文，表示它们已完成数据传输。
3. ACK（Acknowledgment）标志：与三次握手中的ACK标志相似，四次挥手中的ACK标志也用于确认收到对方的报文。在四次挥手过程中，双方通过发送带有ACK标志的报文来确认收到对方的FIN报文，从而确保双方都知道彼此已经完成了数据传输。
4. 等待（Time-Wait）状态：在四次挥手的最后阶段，主动关闭方会进入一个等待状态，称为Time-Wait状态。这个状态的目的是确保最后一个ACK报文能够成功抵达被动关闭方。此外，等待状态还可以处理在网络中可能存在的延迟报文，防止这些报文干扰新的连接。

通过上述原理，TCP协议确保了双方在关闭连接时，数据传输的完整性得到保障，同时双方都同意关闭连接。这样，在四次挥手过程完成后，TCP连接可以安全地关闭，释放资源。

3.6挥手过程中出错的情况

在TCP四次挥手过程中，可能会出现一些错误或异常情况。以下是每个过程中可能出现的错误：

一、第一次挥手：客户端发送FIN报文

• 超时未收到服务器的ACK：客户端发送FIN报文后，可能由于网络延迟或服务器过载等原因，未在预期的时间内收到服务器的ACK。这种情况下，客户端通常会进行重发，并设置一个超时等待。

二、第二次挥手：服务器回应ACK报文

• 服务器未收到客户端的FIN报文：由于网络问题或丢包现象，服务器可能未收到客户端发出的FIN报文。在这种情况下，服务器将一直保持连接，不会进行后续的挥手操作。
• 服务器发送ACK报文丢失：服务器发送的ACK报文可能因为网络问题而丢失，导致客户端无法收到ACK。在这种情况下，客户端将继续重发FIN报文，直到收到服务器的ACK或达到最大重发次数。

三、第三次挥手：服务器发送FIN报文

• 服务器发送FIN报文丢失：类似于客户端发送FIN报文的丢失，服务器发送的FIN报文也可能因为网络问题而丢失。这将导致客户端无法收到服务器的FIN报文，从而无法继续进行挥手过程。为解决这个问题，服务器可能需要重发FIN报文。

四、第四次挥手：客户端回应ACK报文

• 客户端发送ACK报文丢失：客户端发送的ACK报文可能在传输过程中丢失。这种情况下，服务器将无法收到客户端的确认，可能会导致服务器继续等待或重发FIN报文。
• 服务器未收到客户端的ACK报文：如果服务器未收到客户端的ACK报文，可能会导致服务器继续等待客户端的确认。在这种情况下，服务器会维持一个计时器，并在超时后进入CLOSED状态。

在TCP四次挥手过程中，出现错误或异常的情况需要采取相应的重发和超时策略来解决。TCP协议的设计考虑到了这些问题，并为处理这些问题提供了相应的机制，以确保连接的稳定性和可靠性。

3.7 四次挥手的重要性

四次挥手在TCP协议中具有重要意义，因为它负责终止已建立的连接。以下是四次挥手的重要性：

1. 有序关闭连接：四次挥手过程确保了连接能够有序地关闭。双方通过交换FIN和ACK报文，表明自己已完成数据传输并希望关闭连接。这种有序的方式避免了由于意外断开连接而导致的数据丢失或损坏。
2. 资源释放：在TCP连接结束时，双方需要释放与连接相关的资源，例如套接字、缓冲区、端口号等。四次挥手确保了双方在关闭连接时，能够正确地释放这些资源，避免资源浪费和潜在的问题。
3. 防止半关闭状态：在四次挥手过程中，双方通过发送FIN报文表明自己已完成数据传输。这避免了半关闭状态，即一方认为连接已关闭，而另一方仍在发送数据。半关闭状态可能导致数据丢失或其他错误。
4. 双向通信的终止：TCP协议支持双向通信，因此在结束连接时，需要确保双方都同意终止。四次挥手过程让双方都有机会发送FIN报文和确认接收到对方的FIN报文，确保连接能够在双方都同意的情况下终止。
5. 避免连接重建时的冲突：当一个连接被关闭后，相应的套接字、端口号等资源可能会被重新分配给新的连接。四次挥手确保了连接能够正确地关闭，避免了在连接重建时可能出现的资源冲突。

总之，四次挥手对于TCP协议来说至关重要，它能够确保连接的有序关闭，资源的正确释放，以及避免数据丢失和其他潜在问题。四次挥手过程为TCP协议提供了稳定性和可靠性，是协议正常运行的关键组成部分。

四 、综合过程解释

报文1 - 客户端发送一个带SYN标志的TCP报文到服务器：
在TCP建立连接的过程中，客户端首先发送一个带有SYN标志的TCP报文给服务器。SYN标志表示这是一个连接请求，同时携带一个初始序列号。服务器会通过这个报文了解客户端请求建立连接。

报文2 - 服务器端回应客户端，同时带ACK标志和SYN标志：
当服务器收到客户端发来的SYN报文后，会回应一个同时带有ACK和SYN标志的报文。ACK标志表示服务器已收到客户端的连接请求，同时附带一个确认序号，通常为客户端序列号加1。SYN标志表示服务器同意建立连接，并提供一个初始序列号。

报文3 - 客户端再次回应服务器端一个ACK报文：
客户端收到服务器发来的SYN+ACK报文后，会发送一个带ACK标志的报文给服务器，确认收到服务器的连接同意。通常确认序号为服务器序列号加1。至此，三次握手完成，TCP连接成功建立。

报文4 - TCP客户端发送一个FIN，用来关闭客户端到服务器的数据传送：
在连接终止的过程中，当客户端决定终止与服务器的连接时，会发送一个FIN报文。这个报文表示客户端不再向服务器发送数据，即关闭客户端到服务器的数据传送通道。

报文5 - 服务器收到这个FIN，发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1：
当服务器收到客户端发来的FIN报文后，会发送一个带ACK标志的报文给客户端，表明已经收到了客户端发来的FIN报文。服务器将确认序号设置为收到的序号加1，以便客户端知道服务器已经成功接收到FIN报文。

报文6 - 服务器关闭客户端的连接，发送一个FIN给客户端：
在确认收到客户端的FIN报文后，服务器准备关闭与客户端的连接。此时，服务器会发送一个FIN报文给客户端，表示服务器也不再向客户端发送数据，即关闭服务器到客户端的数据传送通道。

报文7 - 客户端发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1：
客户端收到服务器发来的FIN报文后，会向服务器发送一个ACK报文作为响应，表明客户端已经收到了服务器发来的FIN报文。同时，客户端会将确认序号设置为收到的序号加1，以便服务器知道客户端已经成功接收到服务器的FIN报文。完成这一步后，TCP连接被成功终止，双方都关闭了数据传输通道。

让我们用寄件和收件的场景来类比这7个过程：

1. 客户端（寄件人）发送一个带SYN标志的TCP报文到服务器（报文1）：寄件人拨打快递公司（服务器）电话，请求寄件服务。
2. 服务器端（快递公司）回应客户端，同时带ACK标志和SYN标志（报文2）：快递公司接到电话后，确认可以提供服务，并告知寄件人可以寄送。同时，快递公司告知寄件人一组寄件相关的信息（如快递单号）。
3. 客户端（寄件人）再次回应服务器端一个ACK报文（报文3）：寄件人收到快递公司的确认信息和寄件相关信息后，向快递公司回应表示知晓。此时，寄件人和快递公司之间建立了成功的连接。
4. TCP客户端（寄件人）发送一个FIN，用来关闭客户端到服务器的数据传送（报文4）：寄件人在快递公司的工作人员取走包裹后，告诉快递公司他不再需要寄件服务，即关闭寄件人到快递公司的数据传送通道。
5. 服务器（快递公司）收到这个FIN，发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1（报文5）：快递公司收到寄件人的请求，回应表示已收到，并告知寄件人他们会处理后续工作（如运输包裹等）。
6. 服务器（快递公司）关闭客户端的连接，发送一个FIN给客户端（报文6）：快递公司在包裹成功送达后，通知寄件人他们已完成服务，不再需要与寄件人保持连接。
7. 客户端（寄件人）发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1（报文7）：寄件人收到快递公司的通知后，回应表示已收到并知晓。此时，寄件人和快递公司成功终止了连接，双方都关闭了数据传输通道。

通过这个类比，我们可以更直观地理解TCP连接建立和终止过程中各个报文的作用。

TCP的运行原理：

TCP（传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。在进行数据传输之前，TCP需要在客户端和服务器之间建立一个稳定的连接。在数据传输完成后，TCP需要终止这个连接。这个过程中涉及到许多关键概念和控制机制，比如流量控制、拥塞控制和滑动窗口等。

1. 流量控制：TCP通过使用滑动窗口机制实现流量控制，以避免接收方被发送方发送的数据包淹没。滑动窗口可以根据接收方的处理能力和网络状况进行动态调整，从而实现有效的流量控制。
2. 拥塞控制：当网络出现拥塞时，TCP会通过减小发送方的数据发送速率来降低网络拥塞。TCP使用了多种拥塞控制算法，如慢开始、拥塞避免、快速重传和快速恢复等，以便在不同程度的网络拥塞情况下实现有效的拥塞控制。
3. 滑动窗口：滑动窗口是TCP流量控制和拥塞控制的核心机制。发送方和接收方都维护一个窗口，窗口大小表示可以发送或接收的数据量。发送方根据接收方的窗口大小和网络状况动态调整发送速率，从而实现流量控制和拥塞控制。
4. 可靠性：TCP通过序列号、确认应答、重传机制和超时重传等手段实现了可靠的数据传输。每个数据包都有一个唯一的序列号，接收方通过发送确认应答报文告知发送方已成功接收数据包。如果发送方在一定时间内没有收到确认应答，它会重传数据包，直到接收方确认接收或达到最大重传次数。
5. 有序传输：TCP通过序列号对接收到的数据包进行排序，从而确保接收方按照发送方的发送顺序接收数据包。这样可以避免因网络延迟等原因导致的数据包乱序问题。

通过以上机制，TCP实现了一种稳定、可靠的数据传输方式，为各种网络应用提供了基础支持。这也是为什么TCP在诸如HTTP、FTP和SMTP等许多重要的应用层协议中被广泛使用的原因。

连接过程中的细节

TCP连接过程的细节主要涉及到以下几个方面：

1. 三次握手过程：

我们之前已经简要介绍了三次握手的过程。为了进一步详细了解这个过程，我们可以关注以下几个关键点：

• 初始序列号：在三次握手过程中，客户端和服务器都会选择一个初始序列号。这个序列号是随机生成的，并且在每次新建连接时都会重新生成，以确保序列号的唯一性和安全性。
• 窗口大小：在三次握手过程中，客户端和服务器还会交换各自的窗口大小。窗口大小表示发送方或接收方可以处理的数据量，这有助于实现流量控制和拥塞控制。
• 选项字段：在TCP报文头中，还包含一个选项字段。选项字段可以携带一些额外的信息，如最大报文段长度（MSS）、窗口缩放因子（WSF）、时间戳选项（TSO）等。这些选项可以帮助客户端和服务器协商连接的参数，从而优化连接性能。

1. 连接建立后的数据传输：

在三次握手完成后，TCP连接被成功建立。接下来，客户端和服务器可以开始互相发送数据。在数据传输过程中，TCP会实施以下几种控制策略：

• 确认应答：当接收方收到数据包时，会向发送方发送一个确认应答报文。这个报文包含一个确认序号，表示接收方期望收到的下一个数据包的序列号。这样，发送方就可以知道接收方已经成功接收了之前发送的数据包。
• 超时重传：如果发送方在一定时间内没有收到接收方的确认应答，它会认为数据包丢失，于是进行重传。超时时间通常是动态计算的，根据网络延迟和丢包率进行调整。
• 流量控制：通过滑动窗口机制，发送方可以根据接收方的窗口大小和网络状况动态调整发送速率。这有助于防止接收方被发送方发送的数据包淹没。

1. 连接终止：

当数据传输完成后，客户端和服务器需要终止TCP连接。连接终止过程涉及到四次挥手，其中包括以下几个关键步骤：

• 客户端发送FIN报文：表示客户端不再向服务器发送数据，请求关闭连接。
• 服务器发送ACK报文：确认收到客户端的FIN报文。
• 服务器发送FIN报文：表示服务器也不再向客户端发送数据，请求关闭连接。
• 客户端发送ACK报文：确认收到服务器的FIN报文。至此，四次挥手完成，TCP连接成功终止。

在连接终止过程中，还有一些其他细节需要关注：

• TIME_WAIT状态：在TCP连接终止后，客户端会进入一个称为TIME_WAIT的状态。在这个状态下，客户端会等待一段时间（通常是2倍的最大段生命周期，约4分钟），以确保所有数据包都已经成功传输。这可以防止因为网络延迟导致的数据包乱序问题。另外，这个状态还可以防止新建立的连接使用相同的四元组（源IP、源端口、目标IP、目标端口）收到旧连接的残留数据包。
• 半关闭状态：在TCP连接终止过程中，客户端和服务器分别发送FIN报文，请求关闭连接。当一方发送FIN报文后，它会进入半关闭状态。在这个状态下，该方不再发送数据，但仍然可以接收对方发送的数据。这种状态下的连接称为半关闭连接。
• 异常终止：在某些情况下，TCP连接可能会因为网络故障、超时等原因被异常终止。当发生异常终止时，客户端和服务器会使用RST（复位）标志位来通知对方连接已经被关闭。RST报文不需要确认应答，可以立即关闭连接。

通过以上分析，我们可以深入了解TCP连接建立、数据传输和连接终止的过程及其关键控制策略。这些策略共同确保了TCP作为一种可靠的传输协议，能够在各种网络环境下实现稳定、高效的数据传输。

五 、相关参数设置

在Linux系统中，时间阈值通常是根据TCP的超时重传机制和相关参数来确定的。内核确实会设置一些默认值，但这些值可以通过系统配置和内核参数调整。以下是一些与TCP重传超时相关的参数：

1. tcp_syn_retries：这个参数决定了客户端在放弃尝试建立连接之前发送SYN报文的次数。默认值通常是5。如果需要查询或修改这个参数，可以使用以下命令：

   查询：

   sysctl net.ipv4.tcp_syn_retries
   

   修改：

   sudo sysctl -w net.ipv4.tcp_syn_retries=<新值>
   

2. tcp_synack_retries：这个参数决定了服务器在放弃尝试建立连接之前发送SYN-ACK报文的次数。默认值通常是5。如果需要查询或修改这个参数，可以使用以下命令：

   查询：

   sysctl net.ipv4.tcp_synack_retries
   

   修改：

   sudo sysctl -w net.ipv4.tcp_synack_retries=<新值>
   

3. 除了这些参数之外，TCP还使用一个名为Retransmission Timeout (RTO)的机制来控制报文重传的时间间隔。RTO的计算基于往返时间（Round-Trip Time，RTT）以及往返时间变化（Round-Trip Time Variation，RTTVAR）。TCP会根据网络状况动态调整RTO的值。

总之，TCP在Linux系统中的重传超时时间是基于内核参数和动态计算的RTO值来确定的。可以通过sysctl命令查询和调整相关参数，以便根据实际需求优化TCP连接建立过程。

在C++中，您可以使用套接字编程（socket programming）API来设置TCP连接的参数。尽管应用层无法直接更改内核参数，但它可以为特定的套接字（socket）设置选项以覆盖默认设置。以下是一个设置TCP连接超时的示例：

1. 首先，包含必要的头文件：

   #include <iostream>
   #include <sys/socket.h>
   #include <netinet/tcp.h>
   #include <arpa/inet.h>
   #include <unistd.h>
   #include <cstring>
   

2. 创建一个套接字（socket）：

   int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
   if (sockfd < 0) {
       std::cerr << "Error creating socket" << std::endl;
       return -1;
   }
   

3. 设置套接字选项以调整TCP连接超时：

   对于连接超时（连接建立超时），可以使用setsockopt函数设置SO_RCVTIMEO和SO_SNDTIMEO选项：

   struct timeval timeout;
   timeout.tv_sec = 10; // 10 seconds
   timeout.tv_usec = 0; // 0 microseconds
   
   if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, (char *)&timeout, sizeof(timeout)) < 0) {
       std::cerr << "Error setting socket options" << std::endl;
       close(sockfd);
       return -1;
   }
   
   if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_SNDTIMEO, (char *)&timeout, sizeof(timeout)) < 0) {
       std::cerr << "Error setting socket options" << std::endl;
       close(sockfd);
       return -1;
   }
   

   请注意，这里的超时设置是针对特定套接字的，而不是全局设置。您还可以设置其他套接字选项，如TCP_NODELAY以禁用Nagle算法，或SO_KEEPALIVE以启用TCP保活功能。

4. 接下来，像往常一样连接到远程服务器、发送数据和接收数据。

以下是与TCP连接和断开过程相关的一些套接字选项：

1. 通用套接字选项（SOL_SOCKET）：
   • SO_RCVTIMEO：设置接收超时时间。影响连接过程中等待服务器响应的时间。
   • SO_SNDTIMEO：设置发送超时时间。影响连接过程中发送数据的时间。
   • SO_KEEPALIVE：设置是否启用TCP keepalive。影响连接在空闲状态下的维持。
   • SO_REUSEADDR：允许重用本地地址和端口。影响连接后，立即重新使用地址和端口。
   • SO_LINGER：设置套接字关闭时的行为。影响断开连接时，未发送完毕的数据的处理方式。
2. TCP选项（IPPROTO_TCP）：
   • TCP_NODELAY：禁用Nagle算法，即禁用TCP数据发送的合并。影响连接过程中发送数据的效率。
   • TCP_QUICKACK：允许立即确认接收到的数据。影响连接过程中确认数据的速度。
3. IP选项（IPPROTO_IP）：
   • IP_TTL：设置IP数据报的生存时间（Time to Live）。影响连接过程中IP数据报的传输。

这些选项在TCP连接和断开过程中有一定的作用，但并非所有选项都涉及连接和断开。有些选项可能在连接建立后的数据传输过程中发挥作用。在设置套接字选项时，请参阅相关文档以确保正确理解每个选项的作用。

六、常见疑问

为什么建立连接协议是三次握手，而关闭连接却是四次握手呢？

TCP连接建立采用三次握手，而关闭连接采用四次挥手的原因与TCP协议的可靠性、双向数据传输特性以及对应用层数据处理的考虑有关。我们分别从这两个过程来详细解释。

1. 为什么建立连接是三次握手：

   三次握手的目的是为了确保双方都能接收和发送数据，同时协商初始序列号。在三次握手的过程中：

   • 第一次握手：客户端发送SYN报文给服务器，表示客户端请求建立连接，同时提供一个初始序列号。
   • 第二次握手：服务器回应一个带有ACK和SYN标志的报文，ACK表示已收到客户端的连接请求，同时提供一个新的初始序列号。
   • 第三次握手：客户端回应一个ACK报文，表示已收到服务器的连接同意。
     三次握手确保了双方都已准备好发送和接收数据，且已经协商好初始序列号。这种机制可以避免重复连接和失效连接，同时提高了传输的可靠性。

2. 为什么关闭连接是四次挥手：

   四次挥手的目的是为了确保双方数据完整传输并确认连接终止。在四次挥手的过程中：

   • 第一次挥手：客户端发送FIN报文给服务器，表示客户端不再发送数据。
   • 第二次挥手：服务器回应ACK报文，表示已收到客户端的FIN报文。此时服务器可能仍有未发送完的数据，所以不能立即关闭连接。
   • 第三次挥手：服务器完成数据发送后，发送FIN报文给客户端，表示服务器也不再发送数据。
   • 第四次挥手：客户端回应ACK报文，表示已收到服务器的FIN报文，完成连接终止。

四次挥手的过程中，双方各自独立关闭发送和接收通道。由于TCP是双向数据传输的协议，因此需要两个FIN报文来分别关闭双方的发送通道。同时，在服务器收到客户端的FIN报文后，可能仍有数据需要处理和发送，所以在发送FIN报文之前需要先发送ACK报文以确认收到客户端的FIN报文。

总之，建立连接采用三次握手是为了确保双方都能接收和发送数据，同时协商初始序列号，提高传输可靠性。而关闭连接采用四次挥手则是为了确保双方数据完整传输并确认连接终止，保证TCP协议的双向数据传输特性以及对应用层数据处理的考虑。

为什么TIME_WAIT状态还需要等2MSL后才能返回到CLOSED状态？

在TCP协议中，TIME_WAIT状态出现在主动关闭连接的一方（通常是客户端）收到被动关闭方（通常是服务器端）的最后一个FIN报文并发送ACK报文后。在这种情况下，主动关闭方进入TIME_WAIT状态，而被动关闭方则进入CLOSED状态。

那么，为什么TIME_WAIT状态需要等待2倍最大报文生存时间（2MSL）后才能返回到CLOSED状态呢？这主要有以下几个原因：

1. 确保最后一个ACK报文能够成功到达对方：

   在四次挥手的过程中，主动关闭方在收到被动关闭方的FIN报文后会发送一个ACK报文作为回应。TIME_WAIT状态的存在是为了确保这个ACK报文能够成功到达被动关闭方。假设ACK报文在传输过程中丢失，那么被动关闭方将不知道主动关闭方已收到其FIN报文，可能会重新发送FIN报文。此时，由于主动关闭方处于TIME_WAIT状态，它会重新发送ACK报文，确保被动关闭方接收到。

2. 避免“老”连接报文干扰新连接：

   TCP协议允许相同的源地址和目的地址、源端口和目的端口组合来建立新的连接。处于TIME_WAIT状态时，主动关闭方等待2MSL的时间是为了确保当前连接中任何残留的报文在网络中消失。这样，在新连接建立时，来自“老”连接的报文不会被误认为是新连接的报文，避免对新连接造成干扰。

3. 避免连接处于半开状态：

   如果主动关闭方在发送ACK报文后立即进入CLOSED状态，而被动关闭方没有收到ACK报文，那么被动关闭方将继续等待并重发FIN报文。这将导致被动关闭方长时间处于半开状态。而通过等待2MSL，主动关闭方可以确保有足够的时间接收到被动关闭方重发的FIN报文，并重新发送ACK报文，使连接得以正常终止。

总之，主动关闭方在TIME_WAIT状态等待2MSL的时间是为了确保最后一个ACK报文能够成功到达对方，避免“老”连接报文干扰新连接，以及防止连接处于半开状态。这些措施有助于提高TCP协议的稳定性和可靠性。

如果存在大量TIME_WAIT状态,导致系统连接数到达上限无法开启新的连接应该怎么做?

在操作系统层面，没有直接的方法来快速中断处于TIME_WAIT状态的连接。这是因为TIME_WAIT状态是TCP协议的一部分，用于确保连接可靠性和数据完整性。直接中断这些状态可能会导致连接的不稳定和数据的丢失。

然而，你可以采取一些措施来减轻因大量TIME_WAIT状态连接导致的问题，例如调整TCP参数、开启TCP连接复用（SO_REUSEADDR）或增加系统文件描述符限制。这些方法虽然不能直接中断TIME_WAIT状态的连接，但可以在一定程度上降低它们对系统资源的占用，从而缓解问题。

如果大量连接处于TIME_WAIT状态，导致系统连接数达到上限并影响新连接的建立，可以采取以下几种方法进行优化和解决：

1. 调整TCP参数：

   在某些操作系统中，可以调整TCP参数以减少TIME_WAIT状态的持续时间。例如，在Linux系统中，可以通过调整/proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout的值来缩短TIME_WAIT状态的持续时间。请注意，过于短的TIME_WAIT状态可能会影响TCP连接的可靠性，因此需要谨慎调整。

2. 开启TCP连接复用（SO_REUSEADDR）：

   在某些情况下，可以在套接字上设置SO_REUSEADDR选项，以允许在TIME_WAIT状态的连接上重新使用相同的地址和端口。这可以减少因TIME_WAIT状态占用资源而导致的问题。然而，请注意，这种方法可能导致老连接报文干扰新连接，因此需要确保应用程序能够正确处理这种情况。

3. 使用连接池：

   在服务器应用程序中，可以使用连接池来复用已经建立的TCP连接。这样，在连接关闭后，不会立即释放资源，而是将连接放回连接池中以供后续使用。这可以减少大量新连接的建立和关闭，从而降低TIME_WAIT状态连接的数量。

4. 优化应用程序逻辑：

   检查并优化应用程序逻辑，避免过于频繁地建立和关闭TCP连接。尽量让连接保持长时间的活跃状态，以减少因频繁建立和关闭连接导致的TIME_WAIT状态连接。

5. 增加系统文件描述符限制：

   在某些情况下，可以尝试增加操作系统的文件描述符限制（例如，通过调整ulimit -n的值），以允许更多的并发TCP连接。这可以暂时缓解因TIME_WAIT状态连接过多导致的问题，但仍然需要检查应用程序逻辑以减少TIME_WAIT状态的产生。

这些方法可以帮助解决因大量连接处于TIME_WAIT状态导致的系统连接数达到上限的问题。然而，最佳解决方案可能因具体应用程序和系统环境而异，需要根据实际情况进行选择和调整。

七、简单代码

以下代码仅作为示例，展示一个简单的TCP客户端和服务器之间建立连接的过程。在这个示例中，我们使用了C语言和BSD套接字（Socket）API来实现TCP连接。

首先，我们创建一个简单的TCP服务器：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

#define BUF_SIZE 1024

int main(int argc, char *argv[]) {
    
    
    int server_socket, client_socket;
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    socklen_t client_addr_size;
    char message[BUF_SIZE];

    if (argc != 2) {
    
    
        printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    // 创建服务器端套接字
    server_socket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
    if (server_socket == -1) {
    
    
        perror("socket error");
        exit(1);
    }

    // 配置服务器端地址信息
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    // 绑定套接字
    if (bind(server_socket, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
    
    
        perror("bind error");
        exit(1);
    }

    // 监听连接
    if (listen(server_socket, 5) == -1) {
    
    
        perror("listen error");
        exit(1);
    }

    // 接受客户端连接
    client_addr_size = sizeof(client_addr);
    client_socket = accept(server_socket, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_size);
    if (client_socket == -1) {
    
    
        perror("accept error");
        exit(1);
    }

    // 向客户端发送数据
    strcpy(message, "Hello, Client!");
    write(client_socket, message, sizeof(message));

    // 关闭套接字
    close(client_socket);
    close(server_socket);

    return 0;
}

接下来，创建一个简单的TCP客户端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

#define BUF_SIZE 1024

int main(int argc, char *argv[]) {
    
    
    int client_socket;
    struct sockaddr_in server_addr;
    char message[BUF_SIZE];

    if (argc != 3) {
    
    
        printf("Usage : %s <ip> <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    // 创建客户端套接字
    client_socket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
    if (client_socket == -1) {
    
    
        perror("socket error");
        exit(1);
    }

    // 配置服务器端地址信息
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    server_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    // 连接到服务器
    if (connect(client_socket, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
    
    
        perror("connect error");
        exit(1);
    }
    
    // 从服务器接收数据
    int str_len = read(client_socket, message, BUF_SIZE - 1);
    if (str_len == -1) {
    
    
        perror("read error");
        exit(1);
    }
    
    // 打印接收到的数据
    message[str_len] = '\0';
    printf("Message from server: %s\n", message);
    
    // 关闭套接字
    close(client_socket);
    
    return 0;
    
}

在这个例子中，服务器创建了一个套接字、绑定了地址信息、开始监听连接。当客户端尝试连接时，服务器接受连接并向客户端发送一条消息。客户端创建套接字、配置服务器地址信息、连接到服务器、接收服务器的消息并打印。

TCP连接的7个过程在操作系统底层已经被实现。以下是TCP连接的7个过程的应用层调用概述：

1. 服务器创建套接字。
2. 服务器绑定套接字到本地地址和端口。
3. 服务器开始监听连接请求。
4. 客户端创建套接字。
5. 客户端连接到服务器的地址和端口（发起三次握手）。
6. 服务器接受连接请求（完成三次握手）。
7. 客户端和服务器进行数据传输。

在数据传输完成后，客户端和服务器会执行四次挥手过程来终止连接。请注意，这个示例仅仅是一个简单的TCP连接，实际应用中的TCP连接可能会涉及到更多复杂的逻辑。