传输层协议（TCP和UDP，三次握手和四次挥手）

1、TCP/IP协议栈介绍

TCP/IP协议：Transmission Control Protocol/Internet Protocol 传输控制协议/因特网互联协议。

TCP/IP是一个Protocol Stack，包括TCP、IP、UDP、ICMP、RIP、TELNET、FTP、SMTP、ARP等许多协议。 最早发源于1969年美国国防部（缩写为DoD）的因特网的前身ARPA网络项目，1983年1月1日，TCP/IP 取代了旧的网络控制协议NCP，成为今天的互联网和局域网的基石和标准,由互联网工程任务组负责维护 国防高级研究计划局DARPA与BBN技术公司、斯坦福大学和伦敦大学学院签约，在多个硬件平台上开发 协议的操作版本。 在协议开发过程中，数据包路由层的版本号从版本 1 进展到版本 4，后者于 1983 年 安装在 ARPANET 中。它被称为互联网协议版本4（IPv4）作为协议，仍在互联网使用，连同其目前的 继承，互联网协议版本6（IPv6）。

2、TCP/IP分层模型

RFC官方分为四层，和 OSI参考模型的分层有对应关系：

• Application Layer
• Transport Layer
• Internet Layer
• Link Layer(media-access)

3、TCP/IP通信过程

4、TCP/IP和OSI模型的比较

• 相同点

（1）两者都是以协议栈的概念为基础

（2）协议栈中的协议彼此相互独立

（3）下层对上层提供服务

• 不同点

（1）OSI是先有模型；TCP/IP是先有协议，后有模型

（2）OSI是国际标准，适用于各种协议栈；TCP/IP实际标准，只适用于TCP/IP网络

（3）层次数量不同

5、TCP协议和UDP协议

TCP/IP协议簇的传输层协议主要有两个：TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）和UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）。

5.1 面向连接网络协议和无连接网络协议

面向连接网络协议：是指通信双方之间在进行通信之前要先建立连接。比如打电话，双方通话前需要先建立连接。等数据发送结束后，双方再断开连接。

无连接网络协议：是指通信双方不需要事先建立一条通信线路，而是把每个带有目的地址的包送到网络线路上，由系统自主选定路线进行传输。比如QQ发送信息。

5.2 TCP协议和UDP协议的比较

TCP是面向连接的、可靠的进程到进程通信的协议。TCP提供全双工服务，即数据可在同一时间双向传输，每一个TCP都有发送缓存和接收缓存，用来临时存储数据。

UDP协议是无连接、不保证可靠性的传输层协议。发送端不关心发送的数据是否到达目标主机、数据是否出错等，收到数据的主机也不会告诉发送方是否收到了数据，它的可靠性由上层协议来保障。传输数据速度更快，效率更高。

5.3 TCP特性

• 工作在传输层
• 面向连接协议
• 全双工协议
• 半关闭
• 错误检查
• 将数据打包成段，排序
• 确认机制
• 数据恢复，重传
• 流量控制，滑动窗口

5.4 UDP特性

• 工作在传输层
• 提供不可靠的网络访问
• 非面向连接协议
• 有限的错误检查
• 传输性能高
• 无数据恢复特性

6、TCP协议

6.1 TCP报文段

TCP将若干个字节构成的一个分组，称为报文段（Segment)。TCP报文段封装在IP数据报中。

TCP报文段的首部格式如图：

• 源端口、目标端口： 计算机上的进程要和其他进程通信是要通过计算机端口的，而一个计算机端口某个时刻只能被一个进程占用，所以通过指定源端口和目标端口，就可以知道是哪两个进程需要通信。源端口、目标端口是用16位表示的，可推算计算机的端口个数为2^16个，即65536 （0-65535）。
  
• 序列号： 表示本报文段所发送数据的第一个字节的编号。在TCP连接中所传送的字节流的每一个字节都会按顺序编号。由于序列号由32位表示，所以每2^32个字节，就会出现序列号回绕，再次从0 开始。
  
• 确认号（ack）：表示接收方期望收到发送方下一个报文段的第一个字节数据的编号。也就是告诉发送方：我希望你（指发送方）下次发送的数据的第一个字节数据的编号为此确认号，传输是否有问题？
  
• 数据偏移／首部长度：表示TCP报文段的首部长度，共4位，由于TCP首部包含一个长度可变的选项部分，需要指定这个TCP报文段到底有多长。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。该字段的单位是32位(即4个字节为计算单位），4位二进制最大表示15，所以数据偏移也就是TCP首部最大60字节。
  
• 控制位
  URG（紧急位） ：表示本报文段中发送的数据是否包含紧急数据。后面的紧急指针字段（urgent pointer）只有当URG=1时才有效
  ACK（确认位）： 表示是否前面确认号字段是否有效。只有当ACK=1时，前面的确认号字段才有效；当ACK=0时，确认序列号无效。TCP规定，连接建立后，ACK必须为1，带ACK标志的TCP报文段称为确认报文段。
  PSH（急切位）： 提示接收端应用程序应该立即从TCP接收缓冲区中读走数据，为接收后续数据腾出空间。如果为1，则表示对方应当立即把数据提交给上层应用，而不是缓存起来，如果应用程序不将接收到的数据读走，就会一直停留在TCP接收缓冲区中。
  RST（重置位）： 如果收到一个RST=1的报文，说明与主机的连接出现了严重错误（如主机崩溃），必须释放连接，然后再重新建立连接。或者说明上次发送给主机的数据有问题，主机拒绝响应，带RST标志的TCP报文段称为复位报文段。
  SYN（同步位）： 在建立连接时使用，用来同步序号。当SYN=1，ACK=0时，表示这是一个请求建立连接的报文段；当SYN=1，ACK=1时，表示对方同意建立连接。SYN=1，说明这是一个请求建立连接或同意建立连接的报文。只有在前两次握手中SYN才置为1，带SYN标志的TCP报文段称为同步报文段。
  FIN（断开位）： 表示通知对方本端要关闭连接了，标记数据是否发送完毕。如果FIN=1，即告诉对方：“我的数据已经发送完毕，你可以释放连接了”，带FIN标志的TCP报文段称为结束报文段
  
• 窗口大小： 表示现在允许对方发送的数据量，也就是告诉对方，从本报文段的确认号开始允许对方发送的数据量，达到此值，需要ACK确认后才能再继续传送后面数据，由Window size value * Window size scaling factor（此值在三次握手阶段TCP选项Window scale协商得到）得出此值
  
• 校验和： 提供额外的可靠性紧急指针：标记紧急数据在数据字段中的位置
  
• 选项部分： 其最大长度可根据TCP首部长度进行推算。TCP首部长度用4位表示，选项部分最长为：(2^4-1)*4-20=40字节
  

6.2 TCP连接和断开连接过程

（1）TCP连接（三次握手）

TCP建立连接的过程称为三次握手。 客户端与服务器交互需要 3 个数据包。握手的主要作用就是为了确认双方的接收和发送能力是否正常、初始序列号、交换窗口大小以及 MSS 等信息。

• 第一次握手：客户端向服务器发送SYN=1报文，并进入 SYN_SENT（同步已发送） 状态，等待服务器的确认；
• 第二次握手：服务器收到SYN=1报文，向客户端发送SYN=1和 ACK=1的确认报文，此时服务器进入 SYN_RCVD（同步收到）状态；
• 第三次握手：客户端收到 SYN=1和ACK=1的报文段，向服务器发送ACK=1确认包，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。服务器收到客户端的ACK=1包后也进入ESTABLISHED（已建立连接） 状态，完成三次握手。

（2）TCP连接终止（四次挥手）

TCP断开连接分四步，也称为四次挥手。

• 第一次挥手。客户端向服务器发送 FIN=1 和ACK=1的报文段 ，之后进入FIN_WAIT_1状态。
• 第二次挥手。服务器接收到客户端请求断开连接的报文后，向客户端返回ACK=1的报文段。检查是否有未传输完的数据，若有则继续传输。此时服务端进入CLOSE_WAIT状态，客户端进入FIN_WAIT_2状态。
• 第三次挥手。数据全部传输完后，服务器向客户端发送FIN=1 和ACK=1的报文段 。进入LAST_ACK状态 。
• 第四次挥手。客户端收到服务器的 FIN 包后，返回ACK=1的报文段，此时客户端就进入了 TIME_WAIT 状态。注意此时 TCP 连接还没有释放，必须经过 2*MSL 后，才进入 CLOSED 状态。而服务器收到客户端的 ACK 确认包后就进入了 CLOSED 状态，可以看出服务器端结束 TCP 连接的时间要比客户端早一些。

小贴士：

• 客户端向服务器发送第四次报文时，如果服务器没有收到，那么服务器会再次向客户端发送第三步的FIN包，客户端等待2*MSL的时间就是等服务器再次发第三步的报文，2*MSL之后如果客户端没有收到，那么客户端就断开连接。
• 第二次挥手时，如果服务器的数据已经传输完，那么会直接传FIN=1的报文，没有关闭等待状态，一共只有三次挥手。
• MSL（Maximum Segment Lifetime）是指“报文最大生存时间”。