7 TCP的建立和终止

*       TCP作为运输层服务，和UDP最大的不同是它是一种面向连接的、可靠的字节流服务。大多数的互联网应用程序都使用TCP，如http,ftp,telnet,smtp等。

        面向连接是指使用TCP某个应用的两端在交互数据前必须先建立一个TCP连接。

        TCP的可靠性主要由以下方式体现：

        1. 分割应用数据为TCP认为最适合发送的块，称为报文段；
        2. TCP使用定时器以等待目的端对报文段的接收确认；
        3. TCP收到对方端的一个报文段后，会给对方发送一个接收确认；
        4. 通过校验和确认数据差错，若校验错误，丢弃数据，不发送接收确认；
        5. 把数据交给应用层前，对各报文段重新排序组织；
        6. 丢弃重复发送的数据；
        7. 流量控制，通过缓冲区实现。

        TCP传输稳定的字节流，但不关心字节流数据类型是ASCII还是二进制。

        TCP采用全双工通信。

*       TCP的首部(20个固定字节+选项)：

16位源端口--16位目的端口--32位起始序号--32位确认序号--
4位首部长度--6位保留位(置0)--6位标志位--16位窗口大小--16位校验和--16位紧急指针--
选项

        32位起始序号表示本报文段在第几个字节开始发送；
        在tcpdump的输出中还包括了下一个待发送的报文段的起始序号，

        32位确认序号表示待接收的下一个报文段起始序号，即被确认的报文段的起始序号加上报文段长度，ACK标志位置位时有效；

        标志位从高到低依次为：
        URG：   紧急指针有效；
        ACK：   确认位；
        PSH：   通知接收方应马上把缓冲区接收到的全部数据递交给应用层的进程，而不再等待其它额外的数据，对这个标志的确认，窗口一般恢复到最大；
        RST：   连接复位，在异常状况下置位，例如端口不可达或者连接异常终止(如在telnet时用^D或者^C强行关闭程序)；
        SYN：   同步方式，用于建立连接；
        FIN：   连接结束；

        窗口用于流量控制，通知对方自己的缓冲区当前剩余情况；

        校验和覆盖整个TCP报文段，包括首部和数据部分，采用算法与UDP类似，使用伪首部；

        紧急指针在URG被置位时使用，它指向紧急数据的最后一个字节。

        MSS(maximum segment size最大段长度)是较常用的TCP首部选项，用于管理每个TCP包的长度；其它可能的选项还包括窗口扩大因子、时间戳等。

*       TCP连接由4个元素唯一确定：源IP、源TCP端口、目的IP、目的TCP端口。

*       TCP的状态变迁

        按照netstat的显示有以下的TCP状态：
        CLOSED, LISTEN, SYN_RCVD, SYN_SENT, ESTABLISHED,
        CLOSE_WAIT, LAST_ACK, FIN_WAIT_1, CLOSING, FIN_WAIT_2, TIME_WAIT

        其中进入ESTABLISHED状态对应一个连接的建立，退出ESTABLISHED对应一个连接的终止；
        TIME_WAIT的等待时间为2MSL，即最大段生存时间，因为连接终止前发起的一方可能需要重发ACK，所以停留在该状态的时间必须为MSL的2倍。

*       TCP的建立

        TCP的建立通过客户端与服务器端的三次握手实现。
        
        1. 客户端发出含SYN位的报文段，并指出要求连接的TCP端口和初始序号，同时更改状态为SYN_SENT；
        2. 处于LISTEN状态的服务器作出响应，发送SYN和ACK，并给出确认序号，同时更改状态为SYN_RCVD；
        3. 客户端确认服务器的响应，给出带确认序号的ACK段，同时更改状态为ESTABLISHED，服务器收到该响应后也更改状态为ESTABLISHED。

*       TCP的终止
        
        TCP的终止通过双方的四次握手实现。发起终止的一方执行主动关闭，响应的另一方执行被动关闭。

        1. 发起方更改状态为FIN_WAIT_1，关闭应用程序进程，发出一个TCP的FIN段；
        2. 接收方收到FIN段，返回一个带确认序号的ACK，同时向自己对应的进程发送一个文件结束符EOF，同时更改状态为CLOSE_WAIT，发起方接到ACK后状态更改为FIN_WAIT_2；
        3. 接收方关闭应用程序进程，更改状态为LAST_ACK，并向对方发出一个TCP的FIN段；
        4. 发起方接到FIN后状态更改为TIME_WAIT，并发出这个FIN的ACK确认。ACK发送成功后(2MSL内)双方TCP状态变为CLOSED。

*       TCP的半关闭
        指结束一方的数据传送，同时继续接收对方的数据。
        
*       TCP的半打开
        一方连接关闭，另一方不知道。例如运行telnet的客户端断线或者意外停电，而在服务器上的这个连接还是打开的。

*       TCP的同时打开和同时关闭
        同时打开需要双方确认对方的本地端口，
        同时打开和同时关闭双方都是主动打开和主动关闭，而且需要几乎同时开始启动至少在收到对方的SYN或者FIN前就启动；
        同时打开和同时关闭的握手过程和状态变迁略。

*       TCP服务器的设计：
        一个服务器的任何进程都只能使用同一个TCP端口，但是允许使用不同接口(IP)。
        对于同一端口的多个连接请求使用连接队列处理，处理原则为FIFO，被TCP处理的连接在缓冲区中处理其命令或者数据传输。