常用的熟知端口号

TCP的概述

TCP把连接作为最基本的对象，每一条TCP连接都有两个端点，这种断点我们叫作套接字（socket），它的定义为端口号拼接到IP地址即构成了套接字，例如，若IP地址为192.3.4.16 而端口号为80，那么得到的套接字为192.3.4.16:80。

TCP 和 UDP

讲解 TCP 三次握手和四次握手之前，我们先了解一下 TCP 和 UDP 这两个重量级的传输层协议。
💦 用户数据报协议 UDP（User Datagram Protocol）：

• UDP 在传送数据之前不需要先建立连接，远程主机在收到 UDP 报文后，不需要给出任何确认。
• 虽然 UDP 不提供可靠交付，但在某些情况下 UDP 确是一种最有效的工作方式（一般用于即时通信），比如： QQ 语音、 QQ 视频 、直播等等

💦 传输控制协议 TCP（Transmission Control Protocol）：

• TCP 提供面向连接的服务。在传送数据之前必须先建立连接，数据传送结束后要释放连接。
• TCP 不提供广播或多播服务。由于 TCP 要提供可靠的，面向连接的传输服务（TCP的可靠体现在TCP在传递数据之前，会有三次握手来建立连接，而且在数据传递时，有确认、窗口、重传、流量控制、拥塞控制机制，在数据传完后，还会四次挥手断开连接用来节约系统资源），这不仅使协议数据单元的首部增大很多，还要占用许多处理机资源。
• TCP 一般用于文件传输、发送和接收邮件、远程登录等场景。

TCP 报文段首部格式

TCP 报文段的具体格式大家可以不必都记住，但是其中的几个控制位与我们接下来要讲的三次握手和四次挥手息息相关，大家一定要牢记。

首部固定部分各字段意义如下：

• 1 - 源端口和目的端口：各占 2 个字节，分别写入源端口和目的端口。IP 地址 + 端口号就可以确定一个进程地址
• 2 - 序号/序列号（Sequense Number，SN）：在一个 TCP 连接中传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号。该字段表示本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。初始序号称为 Init Sequense Number, ISN（序号/序列号这个字段很重要，大家留个印象，下文会详细讲解）例如，一报文段的序号是 101，共有 100 字节的数据。这就表明：本报文段的数据的第一个字节的序号是 101，最后一个字节的序号是 200。显然，下一个报文段的数据序号应当从 201 开始，即下一个报文段的序号字段值应为 201。
• 3 - 确认号 ack：期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。若确认号为 N，则表明：到序号 N-1 为止的所有数据都已正确收到。
• 4 - 数据偏移（首部长度）：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。这个字段实际上是指出TCP报文段的首部长度。
• 5 - 保留：占 6 位，应置为 0，保留为今后使用。
• 6 - 窗口：占2字节，指的是通知接收方，发送本报文你需要有多大的空间来接受；
• 7 - 检验和：占2字节，校验首部和数据这两部分；
• 8 - 紧急指针：占2字节，指出本报文段中的紧急数据的字节数；
• 9 - 选项：长度可变，定义一些其他的可选的参数。

⭐ 大家看上图，保留位的右边还有 6 个控制位（重要），这是TCP 用来说明该报文段性质的：

• 紧急位 URG：当 URG = 1 时，表明此报文段中有紧急数据，是高优先级的数据，应尽快发送，不用在缓存中排队。该控制位需配合紧急指针使用（紧急指针指出本报文段中紧急数据的字节数）举个例子：我们需要取消一个已经发送了很长程序的运行，因此用户从键盘发出中断命令。如果不使用紧急数据，那么这个指令将存储在接收 TCP 的缓存末尾，只有在所有的数据被处理完毕后这两个字符才被交付接收方的应用进程，这样做就无法实现立即中断。
• 确认 ACK：仅当 ACK = 1 时确认号字段才有效，当 ACK = 0 时确认号无效。TCP 规定，在连接建立后所有传送的报文段都必须把 ACK 置为 1。
• 推送 PSH：当两个应用进程进行交互式的通信时，有时在一端的应用进程希望在键入一个命令后立即就能收到对方的响应。在这种情况下，TCP 就可以使用推送（push）操作。这时，发送方 TCP 把 PSH 置为 1，并立即创建一个报文段发送出去。接收方 TCP 收到 PSH = 1 的报文段，就尽快地交付接收应用进程。而不用等到整个缓存都填满了后再向上交付。
• 复位 RST：当 RST = 1 时，表明 TCP 连接中出现了严重错误（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立传输连接。
• 同步 SYN：SYN = 1 表示这是一个连接请求或连接接受报文。当 SYN = 1 而 ACK = 0 时，表明这是一个连接请求报文段。对方若同意建立连接，则应在响应的报文段中使 SYN = 1 且 ACK = 1。
• 终止 FIN：用来释放一个连接。当 FIN = 1时，表明此报文段的发送发的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。

  三次握手

  短说：

1. 听得到吗？
2. 听得到，你呢？
3. 我也听到了。然后才开始真正对话

长说：

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。

进行三次握手的主要作用就是为了确认双方的接收能力和发送能力是否正常、指定自己的 初始化序列号(Init Sequense Number, ISN) 为后面的可靠性传输做准备。

• 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；

• 第一次握手：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。

  SYN-SENT ：在发送连接请求后等待匹配的连接请求

• 第二次握手：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。

  SYN-RECEIVED：在收到和发送一个连接请求后等待对连接请求的确认

• 第三次握手：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。

  ESTABLISHED：代表一个打开的连接，数据可以传送给用户

• 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。

为什么要三次握手

三次握手的目的是建立可靠的通信信道，说到通讯，简单来说就是数据的发送与接收，而三次握手最主要的目的就是双方确认自己与对方的发送与接收是正常的。
只有经过三次握手才能确认双发的收发功能都正常，缺一不可：

• 第一次握手（客户端发送 SYN 报文给服务器，服务器接收该报文）：客户端什么都不能确认；服务器确认了对方发送正常，自己接收正常
• 第二次握手（服务器响应 SYN 报文给客户端，客户端接收该报文）：客户端确认了：自己发送、接收正常，对方发送、接收正常；服务器确认了：对方发送正常，自己接收正常

• 第三次握手（客户端发送 ACK 报文给服务器）：客户端确认了：自己发送、接收正常，对方发送、接收正常；服务器确认了：自己发送、接收正常，对方发送、接收正常

  ISN (Initial Sequence Number) 是固定的吗

  三次握手的其中一个重要功能是客户端和服务端交换 ISN(Initial Sequence Number)，以便让对方知道接下来接收数据的时候如何按序列号组装数据。
  当一端为建立连接而发送它的 SYN 时，它会为连接选择一个初始序号。ISN 随时间而变化，因此每个连接都将具有不同的 ISN。如果 ISN 是固定的，攻击者很容易猜出后续的确认号，因此 ISN 是动态生成的。

  三次握手过程中可以携带数据吗

  第三次握手的时候，是可以携带数据的。但是，第一次、第二次握手绝对不可以携带数据
  假如第一次握手可以携带数据的话，如果有人要恶意攻击服务器，那他每次都在第一次握手中的 SYN 报文中放入大量的数据，然后疯狂重复发 SYN 报文的话（因为攻击者根本就不用管服务器的接收、发送能力是否正常，它就是要攻击你），这会让服务器花费很多时间、内存空间来接收这些报文。
  ⭐ 简单的记忆就是，请求连接/接收 即 SYN = 1 的时候不能携带数据
  而对于第三次的话，此时客户端已经处于 ESTABLISHED 状态。对于客户端来说，他已经建立起连接了，并且也已经知道服务器的接收、发送能力是正常的了，所以当然能正常发送/携带数据了。

  半连接队列(第二次握手后)

• 半连接队列：服务器第一次收到客户端的 SYN 之后，就会处于 SYN_RCVD 状态，此时双方还没有完全建立其连接，服务器会把这种状态下的请求连接放在一个队列里。

• 全连接队列：完成三次握手后建立起的连接就会放在全连接队列中。如果队列满了就有可能会出现丢包现象。

  SYN 洪泛攻击

  SYN 攻击就是 Client 在短时间内伪造大量不存在的 IP 地址，并向 Server 不断地发送 SYN 包，Server 则回复确认包，并等待 Client 确认，由于源地址不存在，因此 Server 需要不断重发直至超时，这些伪造的 SYN 包将长时间占用半连接队列，导致正常的 SYN 请求因为队列满而被丢弃，从而引起网络拥塞甚至系统瘫痪。

  如果第三次握手丢失了，客户端服务端会如何处理

• 服务器发送完 SYN-ACK 包，如果未收到客户端响应的确认包，也即第三次握手丢失。

• 那么服务器就会进行首次重传，若等待一段时间仍未收到客户确认包，就进行第二次重传。如果重传次数超过系统规定的最大重传次数，则系统将该连接信息从半连接队列中删除。

注意，每次重传等待的时间不一定相同，一般会是指数增长，例如间隔时间为 1s，2s，4s，8s…

为什么TCP客户端最后还要发送一次确认呢？

主要防止已经失效的连接请求报文突然又传送到了服务器，从而产生错误。

• 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

短说：

1. 客户端：你还有什么要说的吗？没什么就挂了
2. 服务器：好的，我知道了，我想一想还有什么要说的 ………….中间可能还会有其他数据通信，但只能是服务器发送，客户端接收了，客户端不能再“说”了
3. 服务器：哦，我也说完了，那咱们挂电话吧？
4. 客户端：好的，拜拜

长说：
这是由于 TCP 的半关闭（half-close）特性造成的，TCP 提供了连接的一端在结束它的发送后还能接收来自另一端数据的能力。
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。

• FIN ：连接终止位
• seq：发送的第一个字节的序号
• ACK：确认报文段
• ack：确认号。希望收到的下一个数据的第一个字节的序号

1. 第一次挥手：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。

   FIN-WAIT-1 - 等待远程TCP的连接中断请求，或先前的连接中断请求的确认；

2. 第二次挥手：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。

   CLOSE-WAIT - 等待从本地用户发来的连接中断请求；

3. 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）。

   FIN-WAIT-2 - 从远程TCP等待连接中断请求；

4. 第三次挥手：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。

   LAST-ACK - 等待原来发向远程TCP的连接中断请求的确认；

5. 第四次挥手：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2∗ *∗MSL（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。

   IME-WAIT - 等待足够的时间以确保远程TCP接收到连接中断请求的确认；

6. 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。

🚨 注意 ！！！这个时候由服务端到客户端的 TCP 连接并未释放掉，客户端需要经过时间等待计时器设置的时间 2MSL（一个报文的来回时间） 后才会进入 CLOSED 状态

为什么客户端最后还要等待2MSL？

MSL（Maximum Segment Lifetime），TCP允许不同的实现可以设置不同的MSL值。

1. 保证客户端发送的最后一个ACK报文能够到达服务器，因为这个ACK报文可能丢失，站在服务器的角度看来，我已经发送了FIN+ACK报文请求断开了，客户端还没有给我回应，应该是我发送的请求断开报文它没有收到，于是服务器又会重新发送一次，而客户端就能在这个2MSL时间段内收到这个重传的报文，接着给出回应报文，并且会重启2MSL计时器。
2. 防止类似与“三次握手”中提到了的“已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中。客户端发送完最后一个确认报文后，在这个2MSL时间中，就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文。

为什么建立连接是三次握手，关闭连接确是四次挥手呢？

由于 TCP 的半关闭（half-close）特性，TCP 提供了连接的一端在结束它的发送后还能接收来自另一端数据的能力。

任何一方都可以在数据传送结束后发出连接释放的通知，待对方确认后进入半关闭状态。当另一方也没有数据再发送的时候，则发出连接释放通知，对方确认后就完全关闭了TCP连接。

通俗的来说，两次握手就可以释放一端到另一端的 TCP 连接，完全释放连接一共需要四次握手。

举个例子：A 和 B 打电话，通话即将结束后，A 说 “我没啥要说的了”，B 回答 “我知道了”，于是 A 向 B 的连接释放了。但是 B 可能还会有要说的话，于是 B 可能又巴拉巴拉说了一通，最后 B 说“我说完了”，A 回答“知道了”，于是 B 向 A 的连接释放了，这样整个通话就结束了。

如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？

TCP还设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75秒发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。