连接导向、可靠和比特流导向
在网络层的IP协议是不可靠的。它负责将数据包从一个IP地址传递到另一个IP地址，但不对传递的数据包的交付、顺序或完整性做任何保证。这就是TCP发挥作用的地方，它确保数据传输的可靠性。
TCP具有以下三个重要特点：
- TCP是连接导向的。与将数据从一个服务器发送到多个服务器的UDP不同，TCP在两个特定服务器之间建立连接。
- TCP是可靠的。TCP保证分段的传递，无论网络条件如何。
- TCP是比特流导向的。使用TCP时，应用层数据被分段处理，传输层对消息的边界不可见。此外，这些分段必须按顺序处理，并且重复的分段将被丢弃。
为了标识唯一的TCP连接，我们使用以下字段，通常称为四元组：
- 源IP地址和目标IP地址：位于IP头中，用于指导IP协议进行数据路由。
- 源端口和目标端口：位于TCP头中，用于指示TCP协议将分段传递给哪个进程。
TCP头部的更多信息
我们已经提到了TCP头部中的源端口和目标端口。让我们进一步研究TCP头部中的其他字段，特别是在建立TCP连接时至关重要的字段。下面的图表突出显示了这些重要字段。
- 序列号（Sequence Number）：在建立新的TCP连接时，会分配一个随机的32位值作为初始序列号。接收端使用此序列号发送一个确认回复。序列号用作确保接收端对分段进行顺序处理的机制。
- 确认号（Acknowledgment Number）：接收端使用这个32位的数字来请求下一个TCP分段。这个值是序列号加一。当发送端接收到这个确认回复时，可以假定之前的所有数据都已成功接收。这个机制可以防止数据丢失。
- 标志位（Flags）：也称为控制位，标志位指示TCP消息的目的。接下来我们将在下一部分中探讨不同类型的TCP消息。控制位指示消息是用于建立连接、传输数据还是终止连接。
- ACK：用于确认。
- RST：用于在发生无法恢复的错误时重置连接。
- SYN：用于初始的三次握手。序列号字段必须被设置。
- FIN：用于终止连接。
在下面，我们将看到这些字段在TCP连接建立过程中的使用方式。
建立TCP连接：三次握手
让我们探讨TCP如何建立连接，这个过程被称为三次握手。下面的图表展示了三次握手的过程。
步骤0：最初，客户端和服务器都处于CLOSE状态。服务器通过在特定端口上监听传入连接来开始。
步骤1：客户端通过向服务器发送一个SYN分段来发起连接。它为序列号分配一个随机数，称为初始序列号（ISN）。将SYN控制位设置为1，将客户端转换为SYN-SENT状态。
步骤2：服务器在接收到SYN分段后，为序列号分配一个随机数，并将确认号设置为client_isn+1。然后，它将SYN和ACK控制位都设置为1，并将此分段发送回客户端。此时，服务器进入SYN-RECEIVED状态。
步骤3：客户端在接收到SYN+ACK分段后，发送一个ACK分段，并将确认号设置为server_isn+1。此时，该分段可以携带应用层数据，并且客户端进入ESTABLISHED状态。一旦服务器接收到ACK分段，它也进入ESTABLISHED状态。
值得注意的是，前两次握手不能携带数据，但第三次握手可以。在完成三次握手后，客户端和服务器可以开始交换数据。
TCP是可靠的，那么当一个分段丢失时会发生什么呢？
- 如果SYN分段丢失：如果客户端在设定的时间范围内没有收到SYN+ACK，它会重新发送SYN分段多次（默认为5次）。如果仍然没有收到SYN+ACK分段，客户端会终止连接，从SYN_SENT状态转换到CLOSED状态。
- 如果SYN+ACK分段丢失：客户端无法区分SYN分段丢失还是SYN+ACK分段丢失，因此它会重新发送SYN分段，并在多次尝试后关闭连接。如果服务器在一定时间内没有收到ACK分段，它会重新发送SYN+ACK分段，并在多次尝试后关闭连接。
- 如果ACK分段丢失：如果服务器没有收到ACK分段，它会发起重发操作。请注意，客户端不会重新发送ACK分段。如果服务器即使重发了ACK分段仍然无法收到，它会关闭连接。
关闭TCP连接：四次握手
现在让我们转向TCP连接的终止过程。客户端和服务器都可以启动终止。在下图中，客户端启动了终止过程。
步骤1：客户端通过向服务器发送一个FIN分段来启动终止过程，进入FIN_WAIT_1状态。
步骤2：服务器在收到
FIN分段后，回复一个ACK分段，并进入CLOSE_WAIT状态。在收到ACK分段后，客户端进入FIN_WAIT_2状态。
步骤3：服务器完成处理后，向客户端发送一个FIN分段，并进入LAST_ACK状态。
步骤4：客户端在收到FIN分段后，发送一个ACK分段，并进入TIME_WAIT状态。服务器在收到ACK分段后，进入CLOSED状态。等待2MSL（最大报文生存时间）的持续时间后，客户端也转换到CLOSED状态。MSL是TCP分段在网络中存在的最长时间，任意地定义为2分钟。
当我们深入研究TCP握手时，让我们考虑三种边缘情况：
- 客户端宕机
- 服务器宕机
- 网络电缆损坏
如果客户端在建立TCP连接后宕机会发生什么？
假设在客户端和服务器之间建立了TCP连接，然后客户端突然断线。会发生什么？
如果服务器不尝试向客户端发送数据，服务器无法了解客户端的状态。服务器将保持在ESTABLISHED状态。解决这个问题的方法是实现TCP保活。
使用TCP保活，一组计时器与建立的TCP连接关联。当保活计时器超时时，服务器向客户端发送一个保活探测。该探测是一个不携带数据的ACK分段。如果连续发送多个探测分段而没有客户端的响应，服务器将认为TCP连接已经断开。
现在让我们更深入地探讨TCP保活的四种情况：
- 客户端正常工作。服务器发送一个保活探测并收到回复。保活计时器重置，服务器在计时器再次超时时发送下一个探测。
- 客户端进程关闭。在客户端上，当操作系统回收进程资源时，它向服务器发送一个FIN分段。
- 客户端机器离线并重新启动。如下图所示，当客户端重新上线时，它对先前的连接一无所知。当服务器尝试通过这个失效的连接向客户端发送数据时，客户端会回复一个RST分段，强制服务器关闭连接。
- 客户端机器离线并且不恢复。我们已经讨论过这种情况-在几次无应答的探测之后，服务器将认为连接已经断开。
对于服务器在建立TCP连接后宕机的情况，类似的机制也适用，因为TCP是一种双工协议。
