TCP/IP知识脑图

TCP/IP

TCP的状态积

网络上的传输是没有连接的，包括TCP也是一样的。而TCP所谓的“连接”，其实只不过是在通讯的双方维护一个“连接状态”，让它看上去好像有连接一样。所以，TCP的状态变换是非常重要的。

SYN：同步序列编号（Synchronize Sequence Numbers），其作用是用于发起一个新链接的标识位。在TCP协议中规定，不能带数据，但是占一位。ACK：(Acknowledge character）即是确认字符，在数据通信中，接收站发给发送站的一种传输类控制字符。表示发来的数据已确认接收无误。如果ACK为1表示确认号有效，如果为0表示报文中不包含确认信息。在TCP中规定，能带数据，不带数据时不占位数。PSH(push传送)：该报文希望，到达对端时，将这个报文及缓存区之间缓存尚未交付的数据一并交付给进程。FIN(finish结束) ：结束连接RST(reset重置) ：重新连接URG(urgent紧急)：只有紧急数据

基础概念

TCP(Transmission Control Protocol)传输控制协议

TCP的包是没有IP地址的，那是IP层上的事。但是有源端口和目标端口。

Sequence Number是包的序号，用来解决网络包乱序（reordering）问题，表示当前端成功发送的数据位数

Acknowledgement Number就是ACK——用于确认收到，用来解决不丢包的问题，当前端成功接收的数据位数

Window又叫Advertised-Window，也就是著名的滑动窗口（Sliding Window），用于解决流控的。

TCP Flag ，也就是包的类型，主要是用于操控TCP的状态机的。

TCP滑动窗口

产生的背景

解决了什么问题

TCP必需要解决的可靠传输以及包乱序（reordering）的问题所以，TCP必需要知道网络实际的数据处理带宽或是数据处理速度，这样才不会引起网络拥塞，导致丢包。

入门

https://juejin.im/post/5c9f1dd651882567b4339bce

深入了解

https://coolshell.cn/articles/11609.html#TCP%E6%BB%91%E5%8A%A8%E7%AA%97%E5%8F%A3

高级概念

什么是半连接队列？

服务器第一次收到客户端的 SYN 之后，就会处于 SYN_RCVD 状态，此时双方还没有完全建立其连接，服务器会把此种状态下请求连接放在一个队列里，我们把这种队列称之为半连接队列。当然还有一个全连接队列，就是已经完成三次握手，建立起连接的就会放在全连接队列中。如果队列满了就有可能会出现丢包现象。这里在补充一点关于SYN-ACK 重传次数的问题：服务器发送完SYN-ACK包，如果未收到客户确认包，服务器进行首次重传，等待一段时间仍未收到客户确认包，进行第二次重传。如果重传次数超过系统规定的最大重传次数，系统将该连接信息从半连接队列中删除。注意，每次重传等待的时间不一定相同，一般会是指数增长，例如间隔时间为 1s，2s，4s，8s......

Frame&Packet&Segment

传输层(TCP/UDP层)：传输层就是负责将数据进行可靠或者不可靠传递，负责终端之间的传送。如：TCP、UDP。单位：Segment网络层(IP层)：网络层就是负责选择最佳路径，并保证数据始终沿着最佳路径传输。路由器的功能就是选合适的路径。单位：font color=\"#0076b3\

MTU

MTU（Maximum Transmission Unit）最大传输单元，在TCP/IP协议族中，指的是IP数据报能经过一个物理网络的最大报文长度(是IP层的数据包大小)，其中包括了IP首部(从20个字节到60个字节不等)，一般以太网的MTU设为1500字节，加上以太帧首部的长度14字节，也就是一个以太帧不会超过1500+14 = 1514字节。

MSS

MSS（Maximum Segment Size，最大报文段大小，指的是TCP报文（一种IP协议的上层协议）的最大数据报长度(TCP层包的大小)，其中不包括TCP首部长度。MSS由TCP连接的过程中由双方协商得出，其中SYN字段中的选项部分包括了这个信息。如果MSS+TCP首部+IP首部大于MTU，那么IP报文就会存在分片，如果小于，那么就可以不需要分片正常发送。

MSL

Maximum Segment Lifetime，因为它是Segment，所以它是TCP层面的限制，也就是「报文最大生存时间」。我们知道，TCP整个报文段是在IP数据报内的，而IP数据报的生存时间又依赖于TTL字段

TTL

ip头中有一个TTL域，TTL是 time to live的缩写，中文可以译为“生存时间”，这个生存时间是由源主机设置初始值但不是存的具体时间，而是存储了一个ip数据报可以经过的最大路由数，每经 过一个处理他的路由器此值就减1，当此值为0则数据报将被丢弃，同时发送ICMP报文通知源主机。RFC 793中规定MSL为2分钟，实际应用中常用的是30秒，1分钟和2分钟等。TTL与MSL是有关系的但不是简单的相等的关系，MSL要大于等于TTL。原因是TCP包是在IP数据包里面，TCP包理论来讲应该有一个更大的生存时间，否则IP包送到了，里面的包失效了。

2MSL

2MSL即两倍的MSL，TCP的TIME_WAIT状态也称为2MSL等待状态。对一个具体实现所给定的MSL值，处理的原则是：当TCP执行一个主动关闭，并发回最后一个ACK，该连接必须在TIME_WAIT状态停留的时间为2倍的MSL。这样可让TCP再次发送最后的ACK以防这个ACK丢失（另一端超时并重发最后的FIN）。因为一个包的最大时间可能是TTL的时间，而这个时间又略大于MSL，所以需要2MSL。这种2MSL等待的另一个结果是这个TCP连接在2MSL等待期间，定义这个连接的插口（客户的IP地址和端口号，服务器的IP地址和端口号）不能再被使用。这个连接只能在2MSL结束后才能再被使用。

三次握手

握手流程

TCP服务器进程先创建传输控制块TCB，时刻准备接受客户进程的连接请求，此时服务器就进入了LISTEN（监听）状态；TCP客户进程也是先创建传输控制块TCB，然后向服务器发出连接请求报文，这是报文首部中的同部位SYN=1，同时选择一个初始序列号 seq=x ，此时，TCP客户端进程进入了 SYN-SENT（同步已发送状态）状态。TCP规定，SYN报文段（SYN=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号。TCP服务器收到请求报文后，如果同意连接，则发出确认报文。确认报文中应该 ACK=1，SYN=1，确认号是ack=x+1，同时也要为自己初始化一个序列号 seq=y，此时，TCP服务器进程进入了SYN-RCVD（同步收到）状态。这个报文也不能携带数据，但是同样要消耗一个序号。TCP客户进程收到确认后，还要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1，ack=y+1，自己的序列号seq=x+1，此时，TCP连接建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。TCP规定，ACK报文段可以携带数据，但是如果不携带数据则不消耗序号。当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态，此后双方就可以开始通信了。

握手中的状态

LISTEN 表示socket已经处于listen状态了，可以建立连接；SYN_SENT 表示socket在发出connect连接的时候，会首先发送SYN报文，然后等待另一端发送的确认报文(ACK)，表示这端已经发送完SYN报文了；SYN_RCVD 表示一端已经接收到SYN报文了；ESTABLISHED 表示已经建立连接了，可以发送数据了。

注意点

SYN_SENT这个状态，只要发送完就是这个状态，不管是否成功SYN_RCVD这个只要收到SYN就进入这个状态只要发了SYN并且收到了这次SYN回的ACK即进入ESTABLISHED状态，也就是说Client会单方面先进入ESTABLISHED状态，至于Server要依赖Server自己是否收到ACK来自己控制这个状态。其实根据这个状态变化，我们知道一件事，其实网络世界不存在什么真正的长链接，我们所说的连接状态也是自己维护的一个状态机，只要我给另外一个设备发消息，能发能收，那我就ready了，我就处于ESTABLISHED状态，所谓的连接只是一个自己维护的一个有状态机。

三次握手中都干了什么事？

主要是要初始化Sequence Number 的初始值。通信的双方要互相通知对方自己的初始化的Sequence Number（缩写为ISN：Inital Sequence Number）——所以叫SYN，全称Synchronize Sequence Numbers。也就上图中的 x 和 y。这个号要作为以后的数据通信的序号，以保证应用层接收到的数据不会因为网络上的传输的问题而乱序（TCP会用这个序号来拼接数据）。交换 TCP 窗口大小信息

交换Sequence Number的意义？

在三次握手期间，C/S两端交换自己的Sequence Number初始值，就是第一次Client->Server发Sequence Number后，就奠定了Server的Acknowledge number的值，第二次Server->Client发Sequence Number就奠定了Client的Acknowledge number。因为在握手过程标识位都占用了一位，所以Sequence Number和Acknowledge number都会加1，后续传输过程中再加上Length就是它们的取值了。Acknowledge number = 对方上次发过来的Sequence number + LengthSequence number = 对方上次发过来的Acknowledge number

为什么要三次握手？而不是四次五次更多次

在《计算机网络》一书中其中有提到，三次握手的目的是“为了防止已经失效的连接请求报文段突然又传到服务端，因而产生错误”。这种情况是：一端(client)A发出去的第一个连接请求报文并没有丢失，而是因为某些未知的原因在某个网络节点上发生滞留，导致延迟到连接释放以后的某个时间才到达另一端(server)B。本来这是一个早已失效的报文段，但是B收到此失效的报文之后，会误认为是A再次发出的一个新的连接请求，于是B端就向A又发出确认报文，表示同意建立连接。如果不采用“三次握手”，那么只要B端发出确认报文就会认为新的连接已经建立了，但是A端并没有发出建立连接的请求，因此不会去向B端发送数据，B端没有收到数据就会一直等待，这样B端就会白白浪费掉很多资源。如果采用“三次握手”的话就不会出现这种情况，B端收到一个过时失效的报文段之后，向A端发出确认，此时A并没有要求建立连接，所以就不会向B端发送确认，这个时候B端也能够知道连接没有建立。问题的本质是，信道是不可靠的，但是我们要建立可靠的连接发送可靠的数据，也就是数据传输是需要可靠的。在这个时候三次握手是一个理论上的最小值，并不是说是tcp协议要求的，而是为了满足在不可靠的信道上传输可靠的数据所要求的。其实四次，四百次都不可能保证是真的可靠，只要双方的消息都有去有回，就基本可以了，三次只是一个最小理论值。

握手期间丢包怎么办(超时重传机制)？

(1) 如果第一个包，A发送给B请求建立连接的报文(SYN)如果丢掉了，A会周期性的超时重传，直到B发出确认(SYN+ACK)；(2) 如果第二个包，B发送给A的确认报文(SYN+ACK)如果丢掉了，B会周期性的超时重传，直到A发出确认(ACK)；(3) 如果第三个包，A发送给B的确认报文(ACK)如果丢掉了，A在发送完确认报文之后，单方面会进入ESTABLISHED的状态，B还是SYN_RCVD状态如果此时双方都没有数据需要发送，B会周期性的超时发送(SYN+ACK)，直到收到A的确认报文(ACK)，此时B也进入ESTABLISHED状态，双方可以发送数据；如果A有数据发送，A发送的是(ACK+DATA)，B会在收到这个数据包的时候自动切换到ESTABLISHED状态，并接受数据(DATA)；如果这个时候B要发送数据，B是发送不了数据的，会周期性的超时重传(SYN+ACK)直到收到A的确认(ACK)B才能发送数据。

三次握手过程中可以携带数据吗?

其实第三次握手的时候，是可以携带数据的。但是，第一次、第二次握手不可以携带数据为什么这样呢?大家可以想一个问题，假如第一次握手可以携带数据的话，如果有人要恶意攻击服务器，那他每次都在第一次握手中的 SYN 报文中放入大量的数据。因为攻击者根本就不理服务器的接收、发送能力是否正常，然后疯狂着重复发 SYN 报文的话，这会让服务器花费很多时间、内存空间来接收这些报文。也就是说，第一次握手不可以放数据，其中一个简单的原因就是会让服务器更加容易受到攻击了。而对于第三次的话，此时客户端已经处于 ESTABLISHED 状态。对于客户端来说，他已经建立起连接了，并且也已经知道服务器的接收、发送能力是正常的了，所以能携带数据也没啥毛病。

SYN攻击是什么?

服务器端的资源分配是在二次握手时分配的，而客户端的资源是在完成三次握手时分配的，所以服务器容易受到SYN洪泛攻击。SYN攻击就是Client在短时间内伪造大量不存在的IP地址，并向Server不断地发送SYN包，Server则回复确认包，并等待Client确认，由于源地址不存在，因此Server需要不断重发直至超时，这些伪造的SYN包将长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，从而引起网络拥塞甚至系统瘫痪。SYN 攻击是一种典型的 DoS/DDoS 攻击。

为什么Sequence number和Acknowledge number的初始值（ISN initialization sequence number）是一个随机值？

ISN是不能hard code的，不然会出问题的——比如：如果连接建好后始终用1来做ISN，如果client发了30个segment过去，但是网络断了，于是 client重连，又用了1做ISN，但是之前连接的那些包到了，于是就被当成了新连接的包，此时，client的Sequence Number 可能是3，而Server端认为client端的这个号是30了。全乱了。RFC793中说，ISN会和一个假的时钟绑在一起，这个时钟会在每4微秒对ISN做加一操作，直到超过2^32，又从0开始。这样，一个ISN的周期大约是4.55个小时。因为，我们假设我们的TCP Segment在网络上的存活时间不会超过Maximum Segment Lifetime（缩写为MSL – Wikipedia语条），所以，只要MSL的值小于4.55小时，那么，我们就不会重用到ISN。

四次挥手流程

挥手流程

客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

挥手中的状态

FIN_WAIT_1 表示在等待另一方的FIN报文，和FIN_WAIT_2的区别是，FIN_WAIT_1表示socket现在要主动关闭连接，在发送完FIN报文后socket进入FIN_WAIT_1状态，当收到另一方发送FIN的ACK之后立即进入FIN_WAIT_2状态；FIN_WAIT_2 同上，此时需要做的事情是可能还会接收数据，然后等待另一方的FIN；也就是说此时发送的通路已断，接收的通路还是正常的。TIME_WAIT 存在主动关闭的一方，表示收到了对方的FIN报文，并发送出了ACK报文，就等2MSL(Max Segment Lifetime))后即可回到CLOSED可用状态了，需要等一段时间时原因是网络是不可靠的，不能保证这个ACK发送成功了，如果失败了，对端会超时重传FIN；CLOSING 表示在发送FIN之后，没有收到对方的ACK，而是收到了对方的FIN，这中情况很少见，只有在两端几乎同时关闭同一个socket的时候才会出现CLOSING状态；CLOSE_WAIT 表示收到对方的FIN之后，回给对方ACK，此时处于CLOSE_WAIT状态，等待关闭，要看自己是否还有数据要发送；LAST_ACK 表示收到对方的FIN之后，回给对方ACK，然后自己也要关闭发送FIN，等待另一方的ACK时候的状态；CLOSED 这个状态表示连接已经断开。

挥手为什么需要四次？

因为当服务端收到客户端的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，\"你发的FIN报文我收到了\"。只有等到我服务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。故需要四次挥手。

四次挥手释放连接时，等待2MSL的意义

1、为了保证客户端发送的最后一个ACK报文段能够到达服务器。因为这个ACK有可能丢失，从而导致处在LAST-ACK状态的服务器收不到对FIN-ACK的确认报文。服务器会超时重传这个FIN-ACK，接着客户端再重传一次确认，重新启动时间等待计时器。最后客户端和服务器都能正常的关闭。假设客户端不等待2MSL，而是在发送完ACK之后直接释放关闭，一但这个ACK丢失的话，服务器就无法正常的进入关闭连接状态。2、他还可以防止已失效的报文段。客户端在发送最后一个ACK之后，再经过经过2MSL，就可以使本链接持续时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。这样就可以使下一个新的连接中不会出现这种旧的连接请求报文段。注意：在服务器发送了FIN-ACK之后，会立即启动超时重传计时器。客户端在发送最后一个ACK之后会立即启动时间等待计时器。