TCP原理简介

1. TCP数据迁移

在上篇文章的例子中，我们使用read/write函数来读写套接字上传输的数据。那么在调用这两个API的过程中，数据是怎么迁移的呢？我们先看下面这张图：

我们以默认属性的套接字为例，当我们在申请套接字的时候，操作系统会为该套接字创建两个缓冲区：输入缓冲、输出缓冲。当我们调用write函数时，系统会将数据从应用程序的缓冲区转移到内核中的缓冲区，当数据拷贝完成后，write函数调用返回，注意：write函数并不会执行发送数据操作。除此之外，当要写入的数据大于输出缓冲区的大小时，write函数会阻塞，直到全部数据拷贝完成才会返回。
同理，当我们调用read函数时，实际上会将输入缓冲的数据拷贝到应用程序缓冲区中，并不真正执行接收数据操作。当输入缓冲区中无数据时，read函数会阻塞，当对方断开连接时，read函数会返回0。

除此之外，还需要注意的是：系统内核在发送数据后，并不会立即删除数据，当收到该数据被成功接收的ack后，才会删除该数据。

2. TCP流控制

2.1 TCP首部

序号（seq）用来标识TCP连接中数据发端向收端发送的字节流，如果将字节流看作是两个应用程序间的单向流动，那么序号就起到对每个字节标记的作用。
序号为无符号4字节整数，最大值为232 - 1。当序号达到最大值后，会从0重新开始计数。
当新连接建立时，SYN字段被置为1，同时本机会选择一个数作为该连接的起始序号（ISN）,因为序号部分会包含这一多出来的序号，因此对该数据包进行确认时应+1，也就是说：应答包的ack=seq+1。
TCP为应用提供全双工服务，TCP连接上的两个方向均应该使用序号标识自己的数据字节流。

2.1 三次握手过程

TCP协议是一种面向连接的，可靠的协议，因此会有连接的过程：客户端与服务端会进行三次数据交互后成功建立连接，也就是我们常说的“三次握手”。下面是”三次握手”示意图：

详细解释如下：

• 第一次握手：第一次握手通常由客户端发起，其中seq=10的意思为：现在发送的10号数据包，如果接收无误，请允许我发送seq=11的数据包。
• 第二次握手：第二次握手通常由服务端发送回应，其中ack=11的意思为：seq=10的数据包我已成功接收，seq=20的意思与第一次握手时一致
• 第三次握手：第三次握手由客户端发起，意为对服务器应答的回应。seq=1的意思为：现在发送的时1号数据包。

由上述表格可以看出，主机会为TCP连接的两个方向选出不同的初始序号（ISN），当然我们平时见到的通常为0。

2.3 传输过程

连接建立后，就可以开始传输数据了。传输数据的示意图如下所示：

具体解释如下：

1. seq=100意为：当前发送的是100号数据包，即该数据包第一个数据在字节流中的位置为100。ack=x的意思为序号为x的数据包已成功接收到，可以发送下一个数据包了
2. B收到A发送的数据包后，以ack填充seq字段，同时以seq+接收到的数据长度作为ack对A端发送的数据包进行回应。
3. A端收到B端发送的数据后，通过ack与上个数据包的seq对比，可以知道B端到底接收到多少字节数据，因此其继续传输时就会以该位置（也就是上个包的ack值）作为起始位置（seq值）继续传输。

因此，`应答包ack=``seq+数据长度`。除此之外，数据包首部并不参与这一计算中。

2.4 连接断开

当传输完成后，就可以断开连接。当连接断开时，TCP首部中的FIN标志位置为1，当客户端与服务端都发送过FIN数据包后，连接成功断开。连接断开过程具体如下：

具体解释如下：

1. A端发送FIN数据包，告诉B端我这边没有数据要发送了，想要关闭连接
2. B端收到A端的FIN数据包，先返回回应包：我知道了，但我目前不想关闭，因为还有数据没有传送完。
3. B端数据传送完成之后，会向A端发送FIN数据包告知：我数据已经传送完成了，咱们可以一起关闭连接了。（b、c之间可能会有很多ack=101的数据包，这是在传输剩余数据）
4. A端收到B端的FIN数据包，会关闭连接。（实际上并不会，而是会进入IIME_WAIT状态，等待2MSL(数据包在网络存货最大时间)后，才会彻底关闭）。

那么为什么需要等待2MSL的时间呢，有以下两个原因：

1. 保证连接能够可靠的关闭：

假设A端最后一次的ACK数据包丢失了，此时B端超时之后会重发FIN数据包，数据包到达A端之后，A端会发出ACK数据包并重新计时，一直如此循环直到连接被正确关闭。若是A端并未进入TIME_WAIT状态而是直接关闭，B端超时之后会重新发送FIN数据包，此时A端会发送RST复位数据包，此时B端会认为是错误连接，显然这一关闭流程并不可靠。

1. 保证链路残留数据包能够正确、彻底的消失

假设A端没有进入TIME_WAIT状态，而是直接关闭，此时A端发起一个新的连接（可能会出现IP、端口均与关闭连接相同的情况），若是连接建立请求先到B端，A端已关闭连接残留的数据包后到B端，此时这些前一连接的数据会被认为是新连接的，从而导致处理出错。