Hey guys ，我是 cxuan ，欢迎你阅读我这一期的文章。
这是一篇详细介绍 TCP 各种特点的文章，内容主要包括 TCP 三次握手和四次挥手细节问题、TCP 状态之间的转换、TCP 超时和重传、关于 TCP 包失序和重复问题、TCP 的数据流与窗口管理、TCP 的拥塞控制，思维导图如下。
TCP 是一种面向连接的单播协议，在 TCP 中，并不存在多播、广播的这种行为，因为 TCP 报文段中能明确发送方和接受方的 IP 地址。
在发送数据前，相互通信的双方（即发送方和接受方）需要建立一条连接，在发送数据后，通信双方需要断开连接，这就是 TCP 连接的建立和终止。
TCP 连接的建立和终止
如果你看过我之前写的关于网络层的一篇文章，你应该知道 TCP 的基本元素有四个：即发送方的 IP 地址、发送方的端口号、接收方的 IP 地址、接收方的端口号。而每一方的 IP + 端口号都可以看作是一个套接字，套接字能够被唯一标示。套接字就相当于是门，出了这个门，就要进行数据传输了。
TCP 的连接建 立 -> 终止总共分为三个阶段
下面我们所讨论的重点也是集中在这三个层面。
下图是一个非常典型的 TCP 连接的建立和关闭过程，其中不包括数据传输的部分。
TCP 建立连接 - 三次握手
- 服务端进程准备好接收来自外部的 TCP 连接，一般情况下是调用 bind、listen、socket 三个函数完成。这种打开方式被认为是
被动打开(passive open)。然后服务端进程处于LISTEN状态，等待客户端连接请求。 - 客户端通过
connect发起主动打开(active open)，向服务器发出连接请求，请求中首部同步位 SYN = 1，同时选择一个初始序号 sequence ，简写 seq = x。SYN 报文段不允许携带数据，只消耗一个序号。此时，客户端进入SYN-SEND状态。 - 服务器收到客户端连接后，，需要确认客户端的报文段。在确认报文段中，把 SYN 和 ACK 位都置为 1 。确认号是 ack = x + 1，同时也为自己选择一个初始序号 seq = y。这个报文段也不能携带数据，但同样要消耗掉一个序号。此时，TCP 服务器进入
SYN-RECEIVED(同步收到)状态。 - 客户端在收到服务器发出的响应后，还需要给出确认连接。确认连接中的 ACK 置为 1 ，序号为 seq = x + 1，确认号为 ack = y + 1。TCP 规定，这个报文段可以携带数据也可以不携带数据，如果不携带数据，那么下一个数据报文段的序号仍是 seq = x + 1。这时，客户端进入
ESTABLISHED (已连接)状态 - 服务器收到客户的确认后，也进入
ESTABLISHED状态。
这是一个典型的三次握手过程，通过上面 3 个报文段就能够完成一个 TCP 连接的建立。三次握手的的目的不仅仅在于让通信双方知晓正在建立一个连接，也在于利用数据包中的选项字段来交换一些特殊信息，交换初始序列号。
一般首个发送 SYN 报文的一方被认为是主动打开一个连接，而这一方通常也被称为
客户端。而 SYN 的接收方通常被称为服务端，它用于接收这个 SYN，并发送下面的 SYN，因此这种打开方式是被动打开。
TCP 建立一个连接需要三个报文段，释放一个连接却需要四个报文段。
TCP 断开连接 - 四次挥手
数据传输结束后，通信的双方可以释放连接。数据传输结束后的客户端主机和服务端主机都处于 ESTABLISHED 状态，然后进入释放连接的过程。
TCP 断开连接需要历经的过程如下
- 客户端应用程序发出释放连接的报文段，并停止发送数据，主动关闭 TCP 连接。客户端主机发送释放连接的报文段，报文段中首部 FIN 位置为 1 ，不包含数据，序列号位 seq = u，此时客户端主机进入
FIN-WAIT-1(终止等待 1)阶段。 - 服务器主机接受到客户端发出的报文段后，即发出确认应答报文，确认应答报文中 ACK = 1，生成自己的序号位 seq = v，ack = u + 1，然后服务器主机就进入
CLOSE-WAIT(关闭等待)状态。 - 客户端主机收到服务端主机的确认应答后，即进入
FIN-WAIT-2(终止等待2)的状态。等待客户端发出连接释放的报文段。 - 这时服务端主机会发出断开连接的报文段，报文段中 ACK = 1，序列号 seq = v，ack = u + 1，在发送完断开请求的报文后，服务端主机就进入了
LAST-ACK(最后确认)的阶段。 - 客户端收到服务端的断开连接请求后，客户端需要作出响应，客户端发出断开连接的报文段，在报文段中，ACK = 1, 序列号 seq = u + 1，因为客户端从连接开始断开后就没有再发送数据，ack = v + 1，然后进入到
TIME-WAIT(时间等待)状态，请注意，这个时候 TCP 连接还没有释放。必须经过时间等待的设置，也就是2MSL后，客户端才会进入CLOSED状态，时间 MSL 叫做最长报文段寿命（Maximum Segment Lifetime）。 - 服务端主要收到了客户端的断开连接确认后，就会进入 CLOSED 状态。因为服务端结束 TCP 连接时间要比客户端早，而整个连接断开过程需要发送四个报文段，因此释放连接的过程也被称为四次挥手。
TCP 连接的任意一方都可以发起关闭操作，只不过通常情况下发起关闭连接操作一般都是客户端。然而，一些服务器比如 Web 服务器在对请求作出相应后也会发起关闭连接的操作。TCP 协议规定通过发送一个 FIN 报文来发起关闭操作。
所以综上所述，建立一个 TCP 连接需要三个报文段，而关闭一个 TCP 连接需要四个报文段。TCP 协议还支持一种半开启(half-open) 状态，虽然这种情况并不多见。
TCP 半开启
TCP 连接处于半开启的这种状态是因为连接的一方关闭或者终止了这个 TCP 连接却没有通知另一方，也就是说两个人正在微信聊天，cxuan 你下线了你不告诉我，我还在跟你侃八卦呢。此时就认为这条连接处于半开启状态。这种情况发生在通信中的一方处于主机崩溃的情况下，你 xxx 的，我电脑死机了我咋告诉你？只要处于半连接状态的一方不传输数据的话，那么是无法检测出来对方主机已经下线的。
另外一种处于半开启状态的原因是通信的一方关闭了主机电源 而不是正常关机。这种情况下会导致服务器上有很多半开启的 TCP 连接。
TCP 半关闭
既然 TCP 支持半开启操作，那么我们可以设想 TCP 也支持半关闭操作。同样的，TCP 半关闭也并不常见。TCP 的半关闭操作是指仅仅关闭数据流的一个传输方向。两个半关闭操作合在一起就能够关闭整个连接。在一般情况下，通信双方会通过应用程序互相发送 FIN 报文段来结束连接，但是在 TCP 半关闭的情况下，应用程序会表明自己的想法："我已经完成了数据的发送发送，并发送了一个 FIN 报文段给对方，但是我依然希望接收来自对方的数据直到它发送一个 FIN 报文段给我"。下面是一个 TCP 半关闭的示意图。
解释一下这个过程：
首先客户端主机和服务器主机一直在进行数据传输，一段时间后，客户端发起了 FIN 报文，要求主动断开连接，服务器收到 FIN 后，回应 ACK ，由于此时发起半关闭的一方也就是客户端仍然希望服务器发送数据，所以服务器会继续发送数据，一段时间后服务器发送另外一条 FIN 报文，在客户端收到 FIN 报文回应 ACK 给服务器后，断开连接。
TCP 的半关闭操作中，连接的一个方向被关闭，而另一个方向仍在传输数据直到它被关闭为止。只不过很少有应用程序使用这一特性。
同时打开和同时关闭
还有一种比较非常规的操作，这就是两个应用程序同时主动打开连接。虽然这种情况看起来不太可能，但是在特定的安排下却是有可能发生的。我们主要讲述这个过程。
通信双方在接收到来自对方的 SYN 之前会首先发送一个 SYN，这个场景还要求通信双方都知道对方的 IP 地址 + 端口号。
下面是同时打开的例子
如上图所示，通信双方都在收到对方报文前主动发送了 SYN 报文，都在收到彼此的报文后回复了一个 ACK 报文。
一个同时打开过程需要交换四个报文段，比普通的三次握手增加了一个，由于同时打开没有客户端和服务器一说，所以这里我用了通信双方来称呼。
像同时打开一样，同时关闭也是通信双方同时提出主动关闭请求，发送 FIN 报文，下图显示了一个同时关闭的过程。
同时关闭过程中需要交换和正常关闭相同数量的报文段，只不过同时关闭不像四次挥手那样顺序进行，而是交叉进行的。
