一、TCP 协议

TCP（Transport Control Protocol）是一个传输层协议，提供 Host-To-Host 数据的可靠传输，支持全双工，是一个连接导向的协议。

二、主机到主机（Host-To-Host）

1. TCP 提供的是 Host-To-Host 传输，一台主机通过 TCP 发送数据给另一台主机。

主机（Host）可以是手机、平板、手表等，双方是平等的。

2. TCP 协议往上是应用到应用（Application-To-Application）的协议。

TCP 要实现主机到主机通信，就需要知道主机们的网络地址（IP 地址）但是 TCP 不负责实际地址到地址（Address-To-Address）的传输，因此 TCP 协议把 IP 地址给底层的互联网层处理。主机到主机（Host-To-Host）为应用提供应用间通信的能力。

3. 什么是连接和会话？

  • 连接是数据传输双方的契约。
  • 连接是网络行为状态的记录。

连接是通信双方的一个约定，目标是让两个在通信的程序之间产生一个默契，保证两个程序都在线，而且尽快地响应对方的请求，这就是连接（Connection）。

会话是应用的行为。会话负责在多次连接中保存状态，比如 HTTP Session 在多次 HTTP 请求（连接）间保持状态（如用户信息）。

会话是应用层的概念，连接是传输层的概念。

4. 双工/单工问题

  • 数据只能单向发送，就是单工。单工需要至少一条线路。
  • 数据可以向一个方向传输，也可以向另一个方向反方向传输，而且交替进行，叫作半双工；半双工需要至少 1 条线路。
  • 如果任何时刻数据都可以双向收发，这就是全双工，全双工需要大于 1 条线路。

TCP 是一个双工协议，数据任何时候都可以双向传输。这就意味着客户端和服务端可以平等地发送、接收信息。正因为如此，客户端和服务端在 TCP 协议中有一个平等的名词——Host（主机）。

5. 可靠性

可靠性指数据保证无损传输。如果发送方按照顺序发送，然后数据无序地在网络间传递，就必须有一种算法在接收方将数据恢复原有的顺序。另外，如果发送方同时要把消息发送给多个接收方，这种情况叫作多播，可靠性要求每个接收方都无损收到相同的副本。多播情况还有强可靠性，就是如果有一个消息到达任何一个接收者，那么所有接受者都必须收到这个消息。

6. TCP 的握手和挥手

6.1 TCP基本操作

TCP 协议有这样几个基本操作：

  • 如果一个 Host 主动向另一个 Host 发起连接，称为 SYN（Synchroniation），请求同步；
  • 如果一个 Host 主动断开请求，称为 FIN（Finish），请求完成；
  • 如果一个 Host 给另一个 Host 发送数据，称为 PSH（Push），数据推送。

以上 3 种情况，接收方收到数据后，都需要给发送方一个 ACK（Acknowledgement）响应。请求/响应的模型是可靠性的要求，如果一个请求没有响应，发送方可能会认为自己需要重发这个请求。

6.2 建立握手的过程（三次握手）

因为要保持连接和可靠性约束，TCP 协议要保证每一条发出的数据必须给返回，返回数据叫作 ACK（也就是响应）。

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简化：
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  • 客户端发消息给服务端（SYN）
  • 服务端准备好进行连接
  • 服务端针对客户端的 SYN 给一个 ACK

到这里完成了两次握手，但是不够，因为服务端还没有确定客户端是否准备好了，因此还需要增加下面的过程。

  • 服务端发送一个 SYN 给客户端
  • 客户端准备就绪
  • 客户端给服务端发送一个 ACK

6.3 断开连接的过程（4 次挥手）

  • 客户端要求断开连接，发送一个断开的请求，这个叫作（FIN）。
  • 服务端收到请求，然后给客户端一个 ACK，作为 FIN 的响应。
  • 这里你需要思考一个问题，可不可以像握手那样马上传 FIN 回去？其实这个时候服务端不能马上传 FIN，因为断开连接要处理的问题比较多，比如说服务端可能还有发送出去的消息没有得到 ACK；也有可能服务端自己有资源要释放。因此断开连接不能像握手那样操作——将两条消息合并。所以，服务端经过一个等待，确定可以关闭连接了，再发一条 FIN 给客户端。
  • 客户端收到服务端的 FIN，同时客户端也可能有自己的事情需要处理完，比如客户端有发送给服务端没有收到 ACK 的请求，客户端自己处理完成后，再给服务端发送一个 ACK。

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总结

  • TCP 提供连接（Connection），让双发的传输更加稳定、安全。
  • TCP 没有直接提供会话，因为应用对会话的需求多种多样，比如聊天程序会话在保持双方的聊天记录，电商程序会话在保持购物车、订单一致，所以会话通常在 TCP 连接上进一步封装，在应用层提供。
  • TCP 是一个面向连接的协议（Connection -oriented Protocol），说的就是 TCP 协议参与的双方（Host）在收发数据之前会先建立连接。后面我们还会学习 UDP 协议，UDP 是一个面向报文（Datagram-oriented）的协议——协议双方不需要建立连接，直接传送报文（数据）。
  • 最后，连接需要消耗更多的资源。比如说，在传输数据前，必须先协商建立连接。因此，不是每种场景都应该用连接导向的协议。像视频播放的场景，如果使用连接导向的协议，服务端每向客户端推送一帧视频，客户端都要给服务端一次响应，这是不合理的。

题目

TCP 为什么是 3 次握手，4 次挥手？

TCP 是一个双工协议，为了让双方都保证，建立连接的时候，连接双方都需要向对方发送 SYC（同步请求）和 ACK（响应）。

握手阶段双方都没有烦琐的工作，因此一方向另一方发起同步（SYN）之后，另一方可以将自己的 ACK 和 SYN 打包作为一条消息回复，因此是 3 次握手——需要 3 次数据传输。

到了挥手阶段，双方都可能有未完成的工作。收到挥手请求的一方，必须马上响应（ACK），表示接收到了挥手请求。类比现实世界中，你收到一个 Offer，出于礼貌你先回复考虑一下，然后思考一段时间再回复 HR 最后的结果。最后等所有工作结束，再发送请求中断连接（FIN），因此是 4 次挥手。