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1 背景
我们知道 UDP 协议乐观且心大，相信网络环境比较健康，数据是可以送达的，即使送达不了也没关系。而 TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议） 就不一样了，它是悲观且严谨，认为网络环境是恶劣的，丢包、乱序、重传和拥塞是常有的事，一言不合就可能送达不了了，因而要从算法层面来保证可靠性。
TCP 是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层协议。本文一起看一下 TCP 协议保证可靠性的机制之一：提供可靠的连接服务，通过三次握手建立连接，通过四次挥手关闭连接。
2 概念讲解
2.1 TCP 包头部
我们先来看下 TCP 头的格式。从下图可以看成，它比 UDP 复杂得多。
首先，源端口号和目标端口号必不可少，这跟 UDP 是一样的。因为如果没有这两个端口号，数据就不知道发给哪个应用。
接下来是包的序号。给包编号的好处是可以解决乱序的问题。
还应该有确认序号。发出的包应该有确认，不然怎么知道对方收到了没？没收到就应该重新发送，直到送达，可以有效地解决丢包问题。
接下来是一些状态位。例如 SYN（Synchronize Sequence Number）是发起一个连接，ACK（Acknowledgement）是回复，FIN（Finish）是结束连接等。TCP 是面向连接的，所以双方要维护连接的状态，这些带状态位的包的发送，会引起双方的状态的变更。
还有一个重要的就是窗口大小。TCP 要做流量控制，通信双方各声明一个窗口，标识自己当前的处理能力，避免对方发送太快或太慢。
TCP 除了做流量控制，还会做拥塞控制，对于道路的拥堵无能为力，只能控制自己的发送速度。不过拥塞窗口没有体现在 TCP 包头部。
2.2 TCP 三次握手建立连接
无论哪一方向另一方发送数据，都必须先在双方之间建立一条连接。
TCP 的连接建立，我们常常称为三次握手。
- A：您好，我是 A。
- B：您好 A，我是 B。
- A：您好 B。
具体到 TCP 协议，三次握手建立连接如下图所示：
一开始，A 和 B 都处于 CLOSED 状态。B 主动监听某个端口，处于 LISTEN 状态。
- A 主动发起连接，发送一个 SYN 报文段，以表明自己的起始序列号，之后进入 SYN\_SENT（SYN 已被发送） 状态。
- B 采用 SYN + ACK 报文段响应 A 的请求。其中，ACK 用来应答 A，表明收到了 A 的请求；SYN 用来表明自己的起始序列号。之后进入 SYN\_RCVD （SYN 已被接收）状态。
- A 收到 B 的响应，发送 ACK 的 ACK，进入 ESTABLISHED 状态，因为它一发一收成功了。B 收到 ACK 的 ACK 后，也进入 ESTABLISHED 状态，因为它也一发一收成功了。
A、B 会在第一次发送 SYN 时分别生成随机初始序列号 seq=x，seq=y
接下来，每次交流时，seq=自己上一个包的序列号+1，ack=对方上一个包的序列号+1（期望收到对方下一包数据的序列号）。
可以看到，三次握手后，就可以确认双方的接收能力和发送能力是否正常、同步双方的序列号，为后面的可靠性传输做准备。
为什么序号不能都从 1 开始？
因为这样往往会出现冲突。例如，A 连上 B 后，发送了 1、2、3 三个包，但发送 3 时，丢了或有延迟，于是重新发送。后来 A 掉线了，重新连上 B，序号又从 1 开始，然后发送 2，但并没有想发送 3，但上次延迟的 3 又到了，发给了 B，B 以为这是下一个包，于是发生了错误。
为什么需要三次握手？
我们知道，三次握手主要是为了确认双方的接收能力和发送能力是否正常、同步双方的初始序列号，那么两次或四次可以吗？
可用性
- 不采用两次握手的原因 1：B 不能确认 A 是否具备接收数据的能力，所以就不能建立可靠的连接。
- 不采用两次握手的原因 2：A 和 B 可以就 A 的初始化序列号达成一致，但无法就 B 的初始化序列号达成一致，所以达不到同步初始序列号的目标。
- 不采用两次握手的原因 3：防止历史连接的建立
防止 A 已经失效的连接请求报文段突然又传到 B，从而产生错误。
设想这样一种情况，A 和 B 已经建立连接，做了简单的通信后，结束了连接。但是由于 A 建立连接的时候网络环境较差，所以它会发送多个建立连接请求，有的请求过了好一会儿后终于到达了 B，B 会认为这也是一个正常请求，因此建立了连接，从而造成了资源的浪费。
如果是三次握手，A 在收到 B 的 seq+1 消息后，可以判断当前的连接是否为历史连接。如果是历史连接，就会发送终止报文 RST 给服务端，终止连接，从而避免历史连接的建立。安全性
- 不采用两次握手的原因 4：无法避免拒绝服务攻击（DDos）
服务器无法验证客户端的真伪，对每个进来的连接都分配连接资源，伪造的海量 SYN 报文很容易欺骗服务器，导致服务器开辟出大量的连接资源，很快导致服务端连接资源耗尽。等合法的连接请求到达时，服务端没有多余的资源，导致无法提供服务，这就是拒绝服务攻击（DDos）。
效率
- 不采用四次握手的原因：只要确认双方的接收能力和发送能力是否正常即可，所以相对于四次握手或更多次握手，三次握手已经足够了。
同样，我们在设计中往往也是需要考虑各种异常情况的，这样才能提高程序的健壮性。
2.3 TCP 四次挥手关闭连接
看完了建立连接，我们看下关闭连接，关闭连接通常被称为四次挥手。
- A：我说完了。
- B：好的，我知道了。
这时候，只是 A 没有要说的了，即 A 不会再发送数据，但 B 能不能在 ACK 的时候直接关闭呢？不行的，很可能 B 还有话要说，还是可以发送数据，所以称为半关闭状态。
这个时候，A 可以选择不再接收数据，也可以选择最后在接收一段数据，等待 B 也主动关闭。
- B： 嗨 A，我也说完了，拜拜。
- A：好的，拜拜。
这样整个连接就关闭了。
具体到 TCP 协议，四次挥手关闭连接如下图所示：
客户端和服务端都处于 ESTABLISHED 状态。
- A 请求关闭连接，发送 FIN 报文段，进入 FIN\_WAIT\_1（终止等待-1）状态。
- B 响应 A 请求，发送 ACK 应答报文段，进入 CLOSE\_WAIT（关闭等待）状态。A 收到响应后，进入 FIN\_WAIT\_2（终止等待-2）状态。
- 过了一会儿，B 的数据也传送完了，想要关闭连接，发送 FIN 报文段，进入 LAST\_ACK（最后确认）状态。
- A 收到请求后，发送 ACK 应答报文段，进入 TIME\_WAIT（时间等待）状态。B 收到应答后，进入 CLOSED 状态。
A 等待 2MSL 后，进入 CLOSED 状态。
为什么客户端在四次挥手后还要等待 2MSL 后才会真正关闭连接？
MSL（Maximum Segment Lifetime，报文最大生存时间），是任何报文在网络上存在的最长时间，超过这个时间的报文将被丢弃。
- 为了保证 A 最后一次挥手的报文能够到达 B
如果 A（主动关闭方）发送的最后一条 ACK 丢失，B 就会觉得 A 没有收到我发送的 FIN，从而重新发送 FIN。如果 A 等待 2MSL，它就可以再次发出 ACK 并重新启动 2MSL 计时器。 - 为了确保旧连接的数据包从网络中消失
A 直接关闭连接还有另外一个问题，A 的端口直接空出来了，但是 B 原来发过的很多包还在路上，如果 A 的端口被一个新的应用占用了，这个新的应用会收到上个连接中 B 发过来的旧包。虽然序列号是重新生成的，但为了保险，A 还是要在 TIME\_WAIT 状态等 2MSL，以确保 B 发送的所有旧包都从网络中消失。
为什么需要四次挥手？
TCP 是全双工的（任何时刻数据都可以双向收发）， A 到 B 是一个通道，B 到 A 又是另一个通道。
当 A 执行完第一次挥手后，只能证明 A 不会再向 B 请求数据，B 返回确认后，便不再接收 A 的数据。
但是 B 可能还在给 A 发送数据，A 还是可以接收数据的。只有当 B 需要把数据传输完毕后才能发送关闭请求，且确认 A 接收后，两边才会真正断开连接。
3 Socket 编程
Socket 封装了底层 TCP / IP 协议栈的功能，供应用层使用。Socket 在不同的操作系统上有不同的版本，我们下面看下 Linux 系统上的 C 语言版本。
为了简单起见，以下程序省略了一些错误处理。
服务端 server.c：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
int main(int argc , char *argv[]) {
// Create a socket with IPv4 domain and TCP protocol
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd == -1) {
printf("Fail to create a socket.");
}
struct sockaddr_in server_address, client_address;
unsigned int addr_len = sizeof(client_address);
bzero(&server_address, sizeof(server_address));
// Bind the socket with the values address and port from the sockaddr_in structure
server_address.sin_family = AF_INET;
server_address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
server_address.sin_port = htons(8700);
bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_address, sizeof(server_address));
// listen on specified port with a maximum of 5 requests
listen(sockfd, 5);
char input_buffer[256] = {};
char message[] = {"Hi, client!"};
while (1) {
// Accept connection signals from the client
int client_sockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_address, &addr_len);
// Receive data sent by the client
recv(client_sockfd, input_buffer, sizeof(input_buffer), 0);
printf("[2] Recv: %s\n",input_buffer);
sleep(1);
// Send data to the client
send(client_sockfd, message, sizeof(message), 0);
printf("[3] Send: %s\n", message);
sleep(1);
// Terminate the socket connection
close(client_sockfd);
printf("[6] Close Socket\n");
}
return 0;
}客户端 client.c：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
int main(int argc , char *argv[]) {
// Create a socket with IPv4 domain and TCP protocol
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd == -1) {
printf("Fail to create a socket.");
}
struct sockaddr_in info;
bzero(&info, sizeof(info));
// Connect to the server
info.sin_family = AF_INET;
info.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
info.sin_port = htons(8700);
int err = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&info, sizeof(info));
if (err == -1) {
printf("Connection error");
}
// Send message to the server
char message[] = {"Hi, server! I'm client."};
send(sockfd, message, sizeof(message), 0);
printf("[1] Send: %s\n", message);
// Receive a message from the server
char receiveMessage[100] = {};
recv(sockfd, receiveMessage, sizeof(receiveMessage), 0);
printf("[4] Recv: %s\n", receiveMessage);
// Terminate the socket connection
close(sockfd);
printf("[5] Close Socket\n");
return 0;
}程序运行结果如下。
服务端：
$ gcc server.c -o server # Linux 上编译 C 语言程序
$ ./server # Linux 上运行服务端
[2] Recv: Hi, server! I'm client.
[3] Send: Hi, client!
[6] Close Socket新打开一个终端，运行客户端：
$ gcc client.c -o client # Linux 上编译 C 语言程序
$ ./client # Linux 上运行客户端
[1] Send: Hi, server! I'm client.
[4] Recv: Hi, client!
[5] Close Socket如果在运行客户端之前先打开一个新的终端并运行 tcpdump 命令进行抓包：
sudo tcpdump -S -i any tcp port 8700可以得到如下输出：
# 三次握手
# 标志位：SYN
14:04:19.846717 IP localhost.57400 > localhost.8700: Flags [S], seq 3120777010, win 65495, options [mss 65495,sackOK,TS val 1331636511 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
# 标志位：SYN + ACK
14:04:19.846741 IP localhost.8700 > localhost.57400: Flags [S.], seq 1145627628, ack 3120777011, win 65483, options [mss 65495,sackOK,TS val 1331636511 ecr 1331636511,nop,wscale 7], length 0
# 标志位：ACK
14:04:19.846761 IP localhost.57400 > localhost.8700: Flags [.], ack 1145627629, win 512, options [nop,nop,TS val 1331636511 ecr 1331636511], length 0
# 收发数据
14:04:19.846794 IP localhost.57400 > localhost.8700: Flags [P.], seq 3120777011:3120777035, ack 1145627629, win 512, options [nop,nop,TS val 1331636511 ecr 1331636511], length 24
14:04:20.847301 IP localhost.8700 > localhost.57400: Flags [P.], seq 1145627629:1145627641, ack 3120777035, win 512, options [nop,nop,TS val 1331637512 ecr 1331636511], length 12
14:04:20.847328 IP localhost.57400 > localhost.8700: Flags [.], ack 1145627641, win 512, options [nop,nop,TS val 1331637512 ecr 1331637512], length 0
# 四次挥手
# 标志位：FIN + ACK
14:04:20.847499 IP localhost.57400 > localhost.8700: Flags [F.], seq 3120777035, ack 1145627641, win 512, options [nop,nop,TS val 1331637512 ecr 1331637512], length 0
# 标志位：ACK
14:04:20.888037 IP localhost.8700 > localhost.57400: Flags [.], ack 3120777036, win 512, options [nop,nop,TS val 1331637553 ecr 1331637512], length 0
# 标志位：FIN + ACK
14:04:21.847617 IP localhost.8700 > localhost.57400: Flags [F.], seq 1145627641, ack 3120777036, win 512, options [nop,nop,TS val 1331638512 ecr 1331637512], length 0
# 标志位：ACK
14:04:21.847644 IP localhost.57400 > localhost.8700: Flags [.], ack 1145627642, win 512, options [nop,nop,TS val 1331638512 ecr 1331638512], length 0也可以尝试将以上服务端和客户端程序分别运行在两台机器上，并将 IP 地址 "127.0.0.1" 替换成所在机器的真实 IP，体验下两台机器间的通信。
4 小结
TCP 通过三次握手建立连接，通过四次挥手断开连接。
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