之前學了計算機網路，但半年後就忘的差不多了，感覺TCP/IP協議的這個知識點很重要，整理一篇文章來鞏固一下。文章分為TCP的概念，TCP/UDP區別總結，三次握手四次揮手的過程，為什麼要這麼做的原因等四大部分來講解。

一 、 TCP協議的概念

TCP（transmission control protocal,傳輸控制協議）,是面向連線的並具備順序控制、重發控制等機制的。所以它可以為應用提供可靠傳輸。工作在網路OSI的七層模型的第四層——傳輸層。ip在第三層——網路層。我們要知道資料從應用層發下來，會在每一層加上響應的頭部資訊，進行封裝然後再傳送到資料的接收端。每一層的作用和對應的協議如下：

接下來介紹TCP協議的資料格式和頭部格式每個欄位的含義：

• Source Port和Destination Port:分別佔用16位，表示源埠號和目的埠號；用於區別主機中的不同程式，而IP地址是用來區分不同的主機的，源埠號和目的埠號配合上IP首部中的源IP地址和目的IP地址就能唯一的確定一個TCP連線。
• Sequence Number:用來標識從TCP發端向TCP收端傳送的資料位元組流，它表示在這個報文段中的的第一個資料位元組在資料流中的序號；主要用來解決網路報亂序的問題。
• Acknowledgment Number:32位確認序列號包含傳送確認的一端所期望收到的下一個序號，因此，確認序號應當是上次已成功收到資料位元組序號加1。不過，只有當標誌位中的ACK標誌（下面介紹）為1時該確認序列號的欄位才有效。主要用來解決不丟包的問題。
• Offset:給出首部中32 bit字的數目，需要這個值是因為任選欄位的長度是可變的。這個欄位佔4bit（最多能表示15個32bit的的字，即4*15=60個位元組的首部長度），因此TCP最多有60位元組的首部。然而，沒有任選欄位，正常的長度是20位元組。
• TCP Flags:TCP首部中有6個標誌位元，它們中的多個可同時被設定為1，主要是用於操控TCP的狀態機的，依次為URG，ACK，PSH，RST，SYN，FIN。每個標誌位的意思如下：
  * URG：此標誌表示TCP包的緊急指標域（後面馬上就要說到）有效，用來保證TCP連線不被中斷，並且督促中間層裝置要儘快處理這些資料
  * ACK：此標誌表示應答域有效，就是說前面所說的TCP應答號將會包含在TCP資料包中；有兩個取值：0和1，為1的時候表示應答域有效，反之為0
  * PSH：這個標誌位表示Push操作。所謂Push操作就是指在資料包到達接收端以後，立即傳送給應用程式，而不是在緩衝區中排隊
  * RST：這個標誌表示連線復位請求。用來複位那些產生錯誤的連線，也被用來拒絕錯誤和非法的資料包
  * SYN：表示同步序號，用來建立連線。SYN標誌位和ACK標誌位搭配使用，當連線請求的時候，SYN=1，ACK=0；連線被響應的時候，SYN=1，ACK=1；這個標誌的資料包經常被用來進行埠掃描。掃描者傳送一個只有SYN的資料包，如果對方主機響應了一個資料包回來 ，就表明這臺主機存在這個埠；但是由於這種掃描方式只是進行TCP三次握手的第一次握手，因此這種掃描的成功表示被掃描的機器不很安全，一臺安全的主機將會強制要求一個連線嚴格的進行TCP的三次握手
  * FIN： 表示傳送端已經達到資料末尾，也就是說雙方的資料傳送完成，沒有資料可以傳送了，傳送FIN標誌位的TCP資料包後，連線將被斷開。這個標誌的資料包也經常被用於進行埠掃描
• Window:視窗大小，也就是有名的滑動視窗，用來進行流量控制。

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二、 TCP/UDP區別總結

TCP(Transmission Control Protocol)
UDP(User Datagram Protocol)

• TCP面向連線（如打電話要先撥號建立連線)，UDP是無連線的，即傳送資料之前不需要建立連線。
• TCP提供可靠的服務,邏輯通訊通道是全雙工的可靠通道，也就是說通過TCP連線傳送的資料，無差錯，不丟失，不重複，且按序到達。UDP是不可靠通道盡最大努力交付，即不保證可靠交付。
• TCP面向位元組流，實際上是TCP把資料看成一連串無結構的位元組流。UDP是面向報文的UDP沒有擁塞控制，因此網路出現擁塞不會使源主機的傳送速率降低（對實時應用很有用，如IP電話，實時視訊會議等）。
• 每一條TCP連線只能是點到點的,UDP支援一對一，一對多，多對一和多對多的互動通訊。
• TCP首部開銷20位元組，UDP的首部開銷小，只有8個位元組。

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三 、 三次握手四次揮手的過程

TCP是面向連線的，無論哪一方向另一方傳送資料之前，都必須先在雙方之間建立一條連線。

• 第一次握手：建立連線。客戶端傳送連線請求報文段，將SYN位置為1，Sequence Number為x；然後，客戶端進入SYN_SEND狀態，等待伺服器的確認。
• 第二次握手：伺服器收到SYN報文段。伺服器收到客戶端的SYN報文段，需要對這個SYN報文段進行確認，設定Acknowledgment Number為x+1(Sequence Number+1)；同時，自己自己還要傳送SYN請求資訊，將SYN位置為1，Sequence Number為y；伺服器端將上述所有資訊放到一個報文段（即SYN+ACK報文段）中，一併傳送給客戶端，此時伺服器進入SYN_RECV狀態
• 第三次握手：客戶端收到伺服器的SYN+ACK報文段。然後將Acknowledgment Number設定為y+1，向伺服器傳送ACK報文段，這個報文段傳送完畢以後，客戶端和伺服器端都進入ESTABLISHED狀態，完成TCP三次握手。

完成了三次握手，客戶端和伺服器端就可以開始傳送資料。

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當客戶端和伺服器通過三次握手建立了TCP連線以後，當資料傳送完畢，要斷開TCP連線.對於TCP的斷開連線，這裡就有了神祕的“四次分手”。

• 第一次分手：主機1（可以使客戶端，也可以是伺服器端），設定Sequence Number和Acknowledgment Number，向主機2傳送一個FIN報文段；此時，主機1進入FIN_WAIT_1狀態；這表示主機1沒有資料要傳送給主機2了。
• 第二次分手：主機2收到了主機1傳送的FIN報文段，向主機1回一個ACK報文段，Acknowledgment Number為Sequence Number加1；主機1進入FIN_WAIT_2狀態；主機2告訴主機1，我“同意”你的關閉請求。
• 第三次分手：主機2向主機1傳送FIN報文段，請求關閉連線，同時主機2進入LAST_ACK狀態。
• 第四次分手：主機1收到主機2傳送的FIN報文段，向主機2傳送ACK報文段，然後主機1進入TIME_WAIT狀態；主機2收到主機1的ACK報文段以後，就關閉連線；此時，主機1等待2MSL後依然沒有收到回覆，則證明Server端已正常關閉，主機1也可以關閉連線了。

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四、 相關問題

• 1 為什麼要三次握手？
  感覺兩次就能完成連線，為什麼非要三次呢？引用謝希仁的《計算機網路》中的解釋

為了防止已失效的連線請求報文段突然又傳送到了伺服器端，因而產生錯誤。

就是防止伺服器端的一直等待而浪費了資源。

• 2 為什麼要四次分手？
  TCP協議是一種面向連線的、可靠的、基於位元組流的運輸層通訊協議。TCP是全雙工模式，這就意味著，當主機1發出FIN報文段時，只是表示主機1已經沒有資料要傳送了，主機1告訴主機2，它的資料已經全部傳送完畢了；但是，這個時候主機1還是可以接受來自主機2的資料；當主機2返回ACK報文段時，表示它已經知道主機1沒有資料傳送了，但是主機2還是可以傳送資料到主機1的；當主機2也傳送了FIN報文段時，這個時候就表示主機2也沒有資料要傳送了，就會告訴主機1，我也沒有資料要傳送了，之後彼此就會愉快的中斷這次TCP連線。
• 3 為什麼TIME_WAIT狀態還需要等2MSL後才能返回到CLOSED狀態？
• 什麼是2MSL？MSL即Maximum Segment Lifetime，也就是報文最大生存時間，引用《TCP/IP詳解》中的話：“它(MSL)是任何報文段被丟棄前在網路內的最長時間。”那麼，2MSL也就是這個時間的2倍。其實我覺得沒必要把這個MSL的確切含義搞明白，你所需要明白的是，當TCP連線完成四個報文段的交換時，主動關閉的一方將繼續等待一定時間(2-4分鐘)，即使兩端的應用程式結束。
• 從以上TCP連線關閉的狀態轉換圖可以看出，主動關閉的一方在傳送完對對方FIN報文的確認(ACK)報文後，會進入TIME_WAIT狀態。TIME_WAIT狀態也稱為2MSL狀態。
• 為什麼需要2MSL？根據《TCP/IP詳解》和《The TCP/IP Guide》中的說法，有兩個原因：

其一，保證傳送的ACK會成功傳送到對方，如何保證？我覺得可能是通過超時計時器傳送。這個就很難用程式碼演示了。

其二，報文可能會被混淆，意思是說，其他時候的連線可能會被當作本次的連線。直接引用《The TCP/IP Guide》的說法：The second is to provide a “buffering period” between the end of this connection and any subsequent ones. If not for this period, it is possible that packets from different connections could be mixed, creating confusion.

• 4 常見的應用中有哪些是應用TCP協議的，哪些又是應用UDP協議的，為什麼它們被如此設計？
• 多播的資訊一定要用UDP實現，因為TCP只支援一對一通訊。
• 如果一個應用場景重效能甚於重完整性和安全性，那麼適合於UDP，比如多媒體應用，缺一兩幀不影響使用者體驗，但是需要流媒體到達的速度快，因此比較適合用UDP。
• 以qq為例的一個說明
• 登陸採用TCP協議和HTTP協議，你和好友之間傳送訊息，主要採用UDP協議，內網傳檔案採用了P2P技術。
• 和好友發訊息，客戶端client採用UDP協議，但是需要通過伺服器轉發。騰訊為了確保傳輸訊息的可靠，採用上層協議來保證可靠傳輸。如果訊息傳送失敗，客戶端會提示訊息傳送失敗，並可重新傳送。
• 如果是在內網裡面的兩個客戶端傳檔案，QQ採用的是P2P技術，不需要伺服器中轉。

參考文獻

http://blog.csdn.net/yipiankongbai/article/details/24435977
http://www.jellythink.com/archives/705
http://www.zhihu.com/question/20292749
謝希仁《計算機網路》《圖解tcp/ip》《tcp/ip詳解》