TCP协议及TCP正常连接与断开

一、TCP协议简介
TCP，全称Transfer Control Protocol，中文名为传输控制协议，它工作在OSI的传输层，提供面向连接的可靠传输服务。
TCP的工作主要是建立连接，然后从应用层程序中接收数据并进行传输。TCP采用虚电路连接方式进行工作，在发送数据前它需要在发送方和接收方建立一个连接，数据在发送出去后，发送方会等待接收方给出一个确认性的应答，否则发送方将认为此数据丢失，并重新发送此数据。
下面我们来介绍一下TCP的报头结构和相关工作原理：
1、TCP报头
TCP报头总长最小为20个字节，其报头结构如下图所示

比特0                                               比特15   比特16                           比特31

源端口：指定了发送端的端口号
目标端口：指定了接受端的端口号
序号：指明了段在即将传输的段序号中的位置
确认号：规定成功收到段的序列号，确认号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号
TCP偏移量：指定了段头的长度。段头的长度取决于段头选项字段中设置的选项
保留：指定了一个 保留字段，以备将来使用
标志：SYN、ACK、PSH、PST、URG、FIN
    SYN：表示同步
    ACK：表示确认
    PSH：表示尽快的将数据送往接收进程
    PST：表示复位连接
    URG：表示紧急指针
    FIN：表示发送方完成数据发送
    需要注意的是：
  （A）不要将确认序号ACK与标志位中的ACK搞混了。
  （B）确认方Ack=发起方Req+1，两端配对。 
窗口：指定关于发送端能传输的下一段的大小的指令
校验和：校验和包含TCP段头和数据部分，用来校验段头和数据部分的可靠性
紧急：指明端中包含紧急信息，只有端URG标志位置为1时紧急指针才会有效
选项：指明了认得段大小，时间戳，选项字段的末端，以及指定了选项字段的边界选项
2、TCP工作原理
1）TCP连接建立：TCP的连接建立过程又称为TCP三次握手。首先发送方主机向接收方主机发起一个建立连接的同步（SYN）请求；接收方主机在收到这个请求后向送方主机回复一个同步/确认（SYN/ACK）应答；发送方主机收到此包后再向接收方主机发送一个确认（ACK），此时TCP连接成功建立；
2）TCP连接关闭：发送方主机和目的主机建立TCP连接并完成数据传输后，会发送一个将结束标记置1的数据包，以关闭这个TCP连接，并同时释放该连接占用的缓冲区空间；
3）TCP重置：TCP允许在传输的过程中突然中断连接，这称为TCP重置；
4）TCP数据排序和确认：TCP是一种可靠传输的协议，它在传输的过程中使用序列号和确认号来跟踪数据的接收情况；
5）TCP重传：在TCP的传输过程中，如果在重传超时时间内没有收到接收方主机对某数据包的确认回复，发送方主机就认为此数据包丢失，并再次发送这个数据包给接收方，这称为TCP重传；
6）TCP延迟确认：TCP并不总是在接收到数据后立即对其进行确认，它允许主机在接收数据的同时发送自己的确认信息给客户端。
7）TCP数据保护（校验和）：TCP是可靠传输的协议，它提供校验和计算来实现数据在传输过程中的完整性。

三、TCP的11种状态

CLOSED：表示初始状态。对服务端和C客户端双方都一样。
LISTEN：表示监听状态。服务端调用了listen函数，可以开始accept连接了。
SYN_SENT：表示客户端已经发送了SYN报文。当客户端调用connect函数发起连接时，首先发SYN给服务端，然后自己进入SYN_SENT状态，并等待服务端发送ACK+SYN。
SYN_RCVD：表示服务端收到客户端发送SYN报文。服务端收到这个报文后，进入SYN_RCVD状态，然后发送ACK+SYN给客户端。
ESTABLISHED：表示连接已经建立成功了。服务端发送完ACK+SYN后进入该状态，客户端收到ACK后也进入该状态。
FIN_WAIT_1：表示主动关闭连接。无论哪方调用close函数发送FIN报文都会进入这个这个状态。
FIN_WAIT_2：表示被动关闭方同意关闭连接。主动关闭连接方收到被动关闭方返回的ACK后，会进入该状态。
TIME_WAIT：表示收到对方的FIN报文并发送了ACK报文，就等2MSL后即可回到CLOSED状态了。如果FIN_WAIT_1状态下，收到对方同时带FIN标志和ACK标志的报文时，可以直接进入TIME_WAIT状态，而无须经过FIN_WAIT_2状态。
CLOSING：表示双方同时关闭连接。如果双方几乎同时调用close函数，那么会出现双方同时发送FIN报文的情况，此时就会出现CLOSING状态，表示双方都在关闭连接。
CLOSE_WAIT：表示被动关闭方等待关闭。当收到对方调用close函数发送的FIN报文时，回应对方ACK报文，此时进入CLOSE_WAIT状态。
LAST_ACK：表示被动关闭方发送FIN报文后，等待对方的ACK报文状态，当收到ACK后进入CLOSED状态。

介绍2MSL时间
2MSL时间，当客户端最后给服务端发送ACK后，不立即进入CLOSED状态，这2MSL时间是为了防止客户端发送的ACK包丢失而让服务端一直处于LAST_ACK状态，让服务端处于LAST_ACK超时重发FIN。

四、TCP三次握手及其状态转换

1、第一次握手
客户端从CLOSED状态主动打开向服务器端发送SYN报文，SYN报文中seq标志位置换为1，并随机生成序列号seq为x，同时客户端进入SYN_SENT状态。
2、第二次握手
服务器端从CLOSED状态别动打开进入LISTEN监听状态，当收到客户端发送的SYN报文后，发送SYN+ACK报文，报文中seq和ack标志位同时置换为1，并随机上次序列号seq为y，确认号ACK为客户端序列号x+1，同时服务器端进入SYN_RCVD状态。
3、第三次握手
客户端接收到服务器端发送的SYN+ACK报文后，发送ACK报文，ACK报文中ack标志位置换为1，序列号seq为x+1，确认号ACK为服务器端序列号y+1，同时进入ESTABLISHED状态。服务端收到客户端发送的ACK报文后，进入ESTABLISHED状态。到此TCP三次握手建立连接完成。

补充：
SYN攻击
在三次握手过程中，服务器端发送SYN-ACK之后，收到客户端的ACK之前的TCP连接称为半连接（half-open connect），此时服务器端处于SYN_RCVD状态，当收到ACK后，服务器端转入ESTABLISHED状态。SYN攻击就是客户端在短时间内伪造大量不存在的IP地址，并向服务器端不断地发送SYN包，服务器端回复确认包，并等待客户端的确认，由于源地址是不存在的，因此，服务器端需要不断重发直至超时，这些伪造的SYN包将产时间占用未连接队列，导致正常的SYN请求因为队列满而被丢弃，从而引起网络堵塞甚至系统瘫痪。SYN攻击时一种典型的DDOS攻击，检测SYN攻击的方式非常简单，即当服务器端上有大量半连接状态且源IP地址是随机的，则可以断定遭到SYN攻击了，使用如下命令可以让之现行：
#netstat -nap | grep SYN_RECV

五、TCP四次挥手及其状态转换

1、第一次挥手
1）客户端在ESTABLISHED状态，发送一个FIN报文，FIN报文中FIN标志位置换为1，序列号seq为上一次发送的序列号加1，这里我们使用n表示，同时进入FIN_WAIT_1状态。
2、第二次挥手
2）服务器端接收到客户端的FIN报文后，发送ACK报文，ACK报文中ack标志位置换为1，确认号ACK为n+1，同时进入CLOSE_WAIT状态，这时TCP处于半关闭状态。
3）客户端接收到服务器端发送的ACK报文后进入FIN_WAIT_2状态
3、第三次挥手
4）服务器端将数据传输完毕后，发送FIN报文，FIN报文中FIN标志位置换为1，序列号seq为上一次发送的序列号加1，这里我们使用m表示，同时进入LAST_ACK状态。
4、第四次挥手
5）客户端接收到服务器端发送的FIN报文后，发送ACK报文，ACK报文中ack标志位置换为1，序列号seq为n+1，确认号ACK为m+1，同时进入TIME_WAIT状态，并等待2MSL（60秒）时间，超时后进入CLOSED状态。
6）服务器端收到客户端的ACK报文后进入CLOSED状态

六、问题
1、为什么建立连接是三次握手，而关闭连接却是四次挥手呢？
1）由于TCP连接为全双工
2）当服务器端端收到客户端端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当服务器端端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉客户端端，"你发的FIN报文我收到了"。只有等到我服务器端端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。

2、为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间60s)才能返回到CLOSE状态？
答：虽然按道理，四个报文都发送完毕，我们可以直接进入CLOSE状态了，但是我们必须假象网络是不可靠的，有可以最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。
1）实现TCP全双工的可靠的关闭
2）允许老的重复的报文消失

本文转自 炫维 51CTO博客，原文链接:http://blog.51cto.com/xuanwei/1884213