谈到TCP连接，三次握手这个名词都会在大多数人的脑海里浮现。
那么三次握手的过程是什么样的？每个阶段的包都有什么样特征？
最近把《计算机网络》这本教材的”运输层”这一章重新复习一遍，整理成本文。
TCP连接的特点
面向连接
在使用TCP传输数据之前，必须先建立TCP连接，每一条连接只能连接两个端点，一般我们使用以下四元组来标识一条连接
{(端点1IP, 端点1Port), (端点2IP, 端点2Port)}
TCP连接只是一条虚拟的连接，他并不是固定的一条物理链路
可靠交付
TCP提供可靠的交付服务，数据无差错，不丢失，不重复，并且按序到达（对于应用层来说）
与之相对，UDP提供尽最大努力交付
全双工通信
所谓全双工，是指在同一时间，两个端点皆可发送数据和接收数据。
TCP在两端都设置有接收和发送缓冲区:
对于接收缓冲区，它是用来缓存接收到的数据，应用层可以在合适的时候读取缓冲区的内容；
对于发送缓冲区，应用层在发送数据时，只是将数据先放入到发送缓冲区，TCP会在合适的时间将这些数据发送出去。
面向字节流
TCP将应用层交下来的数据看成一连串无结构的字节流，应用层不必关心这些字节流被拆成多少个包来发送，接收方在应用层看到的是和发送端一样大小，一样顺序的字节流
TCP报文段的格式
虽然TCP是面向字节流的，但传输单元实际上是报文段，报文段可分为首部和数据两部分
以下是TCP报文段首部格式
TCP首部的前20个字节是固定的，后续可以跟4N个可选的选项数据
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源端口和目的端口: 各占用2字节，所以端口号的范围是0~65535
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序号：占用4字节；TCP传输的数据每一个字节都是编号的，此序号表示本次发送的第一个字节编号；当序号增加到2的32次方减1（4G数据）后，又会从0开始
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确认号：占用4个字节，表示期望收到的下一个数据的编号，例如B正确收到了A发送过来的一个报文段，编号为501，数据长度为200，则B收到A的最后一个字节编码是700，期望收到的下一个数序序号为701，所以确认号为701
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数据偏移：占用4位，表示TCP数据部分距离起整个报文起始位置的偏移，此值的单位为4字节，所以选项的最大长度为
15 * 4字节 - 首部固定长度20 = 40字节
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保留：占用6位，一直没有使用，应置成0。但在Wireshark中可以看到保留位的后3位有特别的用途，分别是Nonce，Congestion Window Reduced(CWR)，ECN-Echo。作用可能与滑动窗口、拥塞控制有关
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紧急URG(URGent)：占用1位，表明紧急指针字段有效，做为传输高优先级数据使用。
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确认ACK(ACKnowlegment)：占用1位，仅当ACK=1时，确认号才有效；连接建立后，所有的报文ACK必须置成1
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推送PSH(PuSH)：占1位，可以让TCP尽快传送，接收到数据后尽快交付给应用程序，而不是等缓冲区满了再向上交付。一般地，如果用户调用一次Write后，都会在这次写入数据的最后一个包补上PSH=1
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复位RST(ReSeT)：占1位，如果RST=1，表示此连接出现严重错误，必须释放连接。RST=1还可以用来拒绝一个非法的报文或拒绝打开一个连接
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同步SYN(SYNchronization)：占1位，连接建立请求时用来同步初使编号
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终止FIN(Finish)：占1位，用来释放一个连接，发送FIN=1表示发送方的数据已经发送完毕，并要求释放连接
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窗口：占2字节，表示发送此报文一方的接口收窗口，接收方依据此值设置自身的发送窗口
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校验和：占2字节，校验数据的正确性
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紧急指针：占2字节，只有当URG=1时才有效，表明此报文中紧急数据的字节数；紧急数据不受发送窗口限制
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选项：长度可变，最长为40字节
选项类别
每一种选项的格式都为：1字节类型（如2表示MSS，3表示扩大窗口，8表示时间戳等），1字节长度（包括之前1字节的类型和自己），实际数据（实际数据长度为长度减去2）
例如扩大窗口选项占3字节，第一字节表示类型，值为3，第二字节表示长度，值为3，第三字节为实际数据
- 最大报文段长度选项MSS(Maximum Segment Size)
类型为2，占用4字节，数据段为2字节，即最大MSS为2的16次方减1
这里指的是数据段（不包括首部）的最大长度；若MSS过小，则信道利用率不高，若MSS过大，一但丢失就要整包重传，所以都会浪费资源
一般将MSS设置成IP层不被分片的值，本选项只能在SYN包里添加
- 扩大窗口选项（Window Scale）
类型为3，占用3字节
用来扩展窗口字段，固定首部的窗口字段只有2字节，最大窗口大小为64k，在时延大的情况下不够用
数据字段为1字节，表示移位值S，即将原窗口值左移S位，得到新的窗口大小，最大允许的值为14
- 时间戳选项（Time Stamp Option）
类型为8，点10字节 数据字段的4字节为时间戳，另外4字节为时间戳回送回答字段，主要做用:
a) 用来计算RTT值，发送方将发送时间写入时间戳字段，接收方确认时，将这个时间值复制进时间戳回送回答字段，发送方可通过这两个值算出RTT
b) 用来防止序号绕回（PAWS/Protect Against Wrapped Sequence numbers），在序号重复利用场景下，判断过期的包
其它选项类型
除了以上的选项类型，还有一些其它的类型，比如类型为0时表示选项结束；类型为1时表示无操作，一般用来做字节对齐（但不是必须的）
TCP的三次握手和四次挥手
连接的建立（三次握手）
在网络上，服务端需要监听某一个端口才能接受来自客户端的连接，此时服务端处理LISTEN状态
连接发起方(Client)首先发起连接请求报文，报文的SYN=1，同时选择一个初始的序号seq=x。此报文不包含任何数据，但需要消耗一个序号，此时Client进入SYN-SEND状态
服务端(Server)收到连接请求报文后，如果同意建立连接，则向Client发送确认报文，此报文包含SYN=1，ACK=1，确认号ack=x+1，并选择自己的起始序号seq=y，此报文同样消耗一个序号，Server进入SYN-RCVD状态
Client收到确认包后，再次发送确认报文，ACK=1，确认号ack=y+1，进入ESTABLISHED状态，即连接建立完成。此时发送的确认包可以包含数据，如果没有包含数据，纯ACK包是不消耗序号的
Server收到确认包后，也进入ESTABLISHED状态，双方建立连接完成
连接的释放（四次挥手）
数据传输的任意一方都可以主动要求释放连接
在需要释放连接时，发起方(A)发送连接释放报文FIN=1，seq=u，此处的u紧跟之前传送过的数据序号，进入FIN-WAIT-1状态，FIN包需要消耗一个序号
接收到FIN包的另一方(B)需要发送确认报文ACK=1，ack=u+1，表明确认收到了FIN包，进入CLOSE-WAIT状态，此时TCP连接处于半关闭状态，B依然可以发送数据
A收到确认包后，进入FIN-WAIT-2状态，等待B发完数据后发出FIN包
B发送完数据后，发送FIN=1，ACK=1，ack=u+1，seq=w，进入LAST-ACK状态
A收到B的FIN包后，发送FIN包的确认包ACK=1，ack=w+1，seq=u+1，进入TIME-WAIT状态，等待2MSL(Maximum Segment Lifetime)后才真正进入CLOSED状态，释放连接资源
对TIME-WAIT的理解
TIME-WAIT的时间一般是4分钟（但在linux上实际测试为1分钟），主要有以下目的
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当A最后发送的确认ACK丢失后，B会超时重传最后一个FIN包，如果A没有等待2MSL，则无法收到重传的FIN包，也不会再次发送确认包，从而导致B无法正确进入CLOSED状态
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等待2MSL后，本次连接中所有数据包基本都从网络中消失，避免了新的连接收到已经失效的报文
TCP的Keepalive机制
服务端会在一个保活周期（一般两个小时）内没有收到任何客户端数据的情况下，主动发送探测报文，以后每隔75分钟再发送一次，如果连续10次未来收到应答，则会主动关闭此连接
Wireshark抓包界面
