1、OSI模型

如果你读过计算机专业，或者学习过网络通信，那你一定听说过 OSI 模型，它曾无数次让你头大。OSI 是 Open System Interconnection 的缩写，译为“开放式系统互联”。 OSI 模型把网络通信的工作分为 7 层，从下到上分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
这个网络模型究竟是干什么呢？简而言之就是进行数据封装的。
当另一台计算机接收到数据包时，会从网络接口层再一层一层往上传输，每传输一层就拆开一层包装，直到最后的应用层，就得到了最原始的数据，这才是程序要使用的数据。
11.2、TCP协议 - 图1

2、TCP报文格式

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的通信协议，数据在传输前要建立连接，传输完毕后还要断开连接。
客户端在收发数据前要使用 connect() 函数和服务器建立连接。建立连接的目的是保证IP地址、端口、物理链路等正确无误，为数据的传输开辟通道。
TCP建立连接时要传输三个数据包，俗称三次握手（Three-way Handshaking）。可以形象的比喻为下面的对话： 

  1. [Shake 1] 套接字A：“你好，套接字B，我这里有数据要传送给你，建立连接吧。”
  2. [Shake 2] 套接字B：“好的，我这边已准备就绪。”
  3. [Shake 3] 套接字A：“谢谢你受理我的请求。”

11.2、TCP协议 - 图2

  1. 1. 序号：Seq（Sequence Number）序号占32位，用来标识从计算机A发送到计算机B的数据包的序号，计算机发送数据时对此进行标记。
  2. 2. 确认号：Ack（Acknowledge Number）确认号占32位，客户端和服务器端都可以发送，Ack = Seq + 1
  3. 3. 标志位：每个标志位占用1Bit，共有6个，分别为 URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN，具体含义如下：
  4. // URG：紧急指针（urgent pointer）有效。
  5. // ACK：确认序号有效。
  6. // PSH：接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
  7. // RST：重置连接。
  8. // SYN：建立一个新连接。
  9. // FIN：断开一个连接。

3、TCP/IP 三次握手

使用 connect() 建立连接时，客户端和服务器端会相互发送三个数据包，请看下图：
11.2、TCP协议 - 图3
客户端调用 socket() 创建套接字后，因为没有建立连接，所以套接字处于CLOSED状态；服务器端调用 listen() 函数后，套接字进入LISTEN状态，开始监听客户端请求。这个时候，客户端开始发起请求：

  1. 当客户端调用 connect() 函数后，TCP协议会组建一个数据包，并设置 SYN 标志位，表示该数据包是用来建立同步连接的。同时生成一个随机数字 1000，填充“序号（Seq）”字段，表示该数据包的序号。完成这些工作，开始向服务器端发送数据包，客户端就进入了SYN-SEND状态。
  2. 服务器端收到数据包，检测到已经设置了 SYN 标志位，就知道这是客户端发来的建立连接的“请求包”。服务器端也会组建一个数据包，并设置 SYN 和 ACK 标志位，SYN 表示该数据包用来建立连接，ACK 用来确认收到了刚才客户端发送的数据包。 服务器生成一个随机数 2000，填充“序号（Seq）”字段。2000 和客户端数据包没有关系。服务器将客户端数据包序号（1000）加1，得到1001，并用这个数字填充“确认号（Ack）”字段。服务器将数据包发出，进入SYN-RECV状态。
  3. 客户端收到数据包，检测到已经设置了 SYN 和 ACK 标志位，就知道这是服务器发来的“确认包”。客户端会检测“确认号（Ack）”字段，看它的值是否为 1000+1，如果是就说明连接建立成功。接下来，客户端会继续组建数据包，并设置 ACK 标志位，表示客户端正确接收了服务器发来的“确认包”。同时，将刚才服务器发来的数据包序号（2000）加1，得到 2001，并用这个数字来填充“确认（Ack）”字段。客户端将数据包发出，进入ESTABLISED状态，表示连接已经成功建立。
  4. 服务器端收到数据包，检测到已经设置了 ACK 标志位，就知道这是客户端发来的“确认包”。服务器会检测“确认号（Ack）”字段，看它的值是否为 2000+1，如果是就说明连接建立成功，服务器进入ESTABLISED状态。至此，客户端和服务器都进入了ESTABLISED状态，连接建立成功，接下来就可以收发数据了。

注意：三次握手的关键是要确认对方收到了自己的数据包，这个目标就是通过“确认号（Ack）”字段实现的。计算机会记录下自己发送的数据包序号 Seq，待收到对方的数据包后，检测“确认号（Ack）”字段，看Ack = Seq + 1是否成立，如果成立说明对方正确收到了自己的数据包

4、TCP/IP四次挥手

建立连接非常重要，它是数据正确传输的前提；断开连接同样重要，它让计算机释放不再使用的资源。如果连接不能正常断开，不仅会造成数据传输错误，还会导致套接字不能关闭，持续占用资源，如果并发量高，服务器压力堪忧。
建立连接需要三次握手，断开连接需要四次握手，可以形象的比喻为下面的对话： 

  1. ● [Shake 1] 套接字A：“任务处理完毕，我希望断开连接。” 
  2. ● [Shake 2] 套接字B：“哦，是吗？请稍等，我准备一下。” 
  3. ● 等待片刻后…… 
  4. ● [Shake 3] 套接字B：“我准备好了，可以断开连接了。” 
  5. ● [Shake 4] 套接字A：“好的，谢谢合作。”

下图演示了客户端主动断开连接的场景：
11.2、TCP协议 - 图4
建立连接后，客户端和服务器都处于ESTABLISED状态。这时，客户端发起断开连接的请求： 

  1. 1. 客户端调用 close() 函数后，向服务器发送 FIN 数据包，进入FIN_WAIT_1状态。FIN 是 Finish 的缩写，表示完成任务需要断开连接。
  3. 2. 服务器收到数据包后，检测到设置了 FIN 标志位，知道要断开连接，于是向客户端发送“确认包”，进入CLOSE_WAIT状态。注意：服务器收到请求后并不是立即断开连接，而是先向客户端发送“确认包”，告诉它我知道了，我需要准备一下才能断开连接。
  5. 3. 客户端收到“确认包”后进入FIN_WAIT_2状态，等待服务器准备完毕后再次发送数据包。
  7. 4. 等待片刻后，服务器准备完毕，可以断开连接，于是再主动向客户端发送 FIN 包，告诉它我准备好了，断开连接吧。然后进入LAST_ACK状态。
  9. 5. 客户端收到服务器的 FIN 包后，再向服务器发送 ACK 包，告诉它你断开连接吧。然后进入TIME_WAIT状态。
  11. 6. 服务器收到客户端的 ACK 包后，就断开连接，关闭套接字，进入CLOSED状态。
  13. 注意：关于 TIME_WAIT 状态的说明

客户端最后一次发送 ACK包后进入 TIME_WAIT 状态，而不是直接进入 CLOSED 状态关闭连接，这是为什么呢？ 

  1. /*
  2. TCP 是面向连接的传输方式，必须保证数据能够正确到达目标机器，不能丢失或出错，而网络是不稳定的，随时可能会毁坏数据，所以机器A每次向机器B发送数据包后，都要求机器B”确认“，回传ACK包，告诉机器A我收到了，这样机器A才能知道数据传送成功了。
  3. 如果机器B没有回传ACK包，机器A会重新发送，直到机器B回传ACK包。
  4. 客户端最后一次向服务器回传ACK包时，有可能会因为网络问题导致服务器收不到，服务器会再次发送 FIN 包，如果这时客户端完全关闭了连接，那么服务器无论如何也收不到ACK包了，所以客户端需要等待片刻、确认对方收到ACK包后才能进入CLOSED状态。
  5. 那么，要等待多久呢？数据包在网络中是有生存时间的，超过这个时间还未到达目标主机就会被丢弃，并通知源主机。
  6. 这称为报文最大生存时间（MSL，Maximum Segment Lifetime）。
  7. TIME_WAIT 要等待 2MSL 才会进入 CLOSED 状态。ACK 包到达服务器需要 MSL 时间，服务器重传 FIN 包也需要 MSL 时间，2MSL 是数据包往返的最大时间，如果 2MSL 后还未收到服务器重传的 FIN 包，就说明服务器已经收到了 ACK 包。
  8. */