UNIX网络编程笔记(1):TCP简介

1、简介

TCP（Transmission Control Protocol），即传输控制协议，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。TCP协议有以下几个特点：

1. TCP提供客户与服务器之间的连接：TCP客户先与某个服务器建立连接，跨过连接传输数据，然后断开连接；
2. TCP提供了可靠性：包括超时重传、RTT（round-trip time往返时间）估计等；
3. TCP提供了流量控制：包括通知窗口、慢启动等；
4. TCP是双全工的：在一个连接上可以在任何时刻在进出两个方向上发送与接收数据；

2、TCP连接的建立

TCP建立连接就是大家熟知的三次握手：

通常发生以下几个步骤：

1. 服务器必须准备好接收外来的连接，通常通过调用socket、bind和listen函数完成，称为被动打开；
2. 客户通过调用connect函数发起主动打开，导致客户TCP发送一个SYN分节，它告诉服务器客户将在连接中发送的数据的初始序列号；
3. 服务器必须确认（ACK）客户的SYN，同时自己也发送一个SYN分节，包含服务器将在同一个连接中发送的数据的初始序列号。服务器在单个分节中发送自己的SYN和对客户SYN的ACK；
4. 客户必须确认服务器的SYN；

也就是说，对于客户和服务器来说，每个人都有一个初始序列号SYN，每个人对对端的确认都是在对端SYN的基础上加1。比如：客户发送SYN为j，那么服务器发送的对客户SYN的ACK就是j+1；同理，如果服务器给客户的SYN是k，那么客户发送给服务器的ACK就是k+1。下图展示了TCP的三次握手的具体过程：

由图可知，ACK中的确认号就是发送这个ACK的一端所期待的下一个序列号。

3、TCP连接的终止

终止一个TCP连接需要四个分节，因为这里涉及到数据的传输。

下面是TCP连接终止的步骤：

1. 某个应用进程首先调用close函数，称该端执行主动关闭，于是发送一个FIN分节，表示数据发送完毕；
2. 接收到这个FIN分节的对端执行被动关闭，这个FIN由TCP确认，它的接收也作为一个文件描述符传输给接收端应用进程，因为FIN的接收意味着接收端应用进程在相应连接上再无额外数据可接受；
3. 一段时间后，接收到这个文件结束符的应用进程将调用close函数关闭它的套接字。导致TCP也发送一个FIN；
4. 接收这个最终FIN的原发送端（即执行主动关闭的一端）确认这个FIN；

连接的两端每一端都需要一个FIN和ACK，因此需要四个分节。不过也有可能不是四个。比如，执行主动关闭的一端的FIN可以随数据一起发送，还有，执行被动关闭的一端的ACK和自己的FIN有可能一起发送。下图展示了关闭连接的过程：

和TCP建立连接一样，这里的ACK是FIN+1。

图中给出的是客户端执行主动关闭，不过可以由服务器端执行主动关闭。

4、TCP状态转换图

由于TCP连接的建立涉及到三次握手，终止连接需要四次握手，因此TCP连接的状态在一次完整的连接与终止中可能达到多个。实际上，一个TCP连接的状态可以有11种，这些状态可以由具体的操作连接起来，形成一个状态转换图。

下图就是TCP状态转换图，图中用粗实线表示通常的客户状态转换，用粗虚线表示通常的服务器状态转换：

5、一个完整的TCP连接

下图展示了一个完整的TCP连接，包括建立连接、数据传输与连接终止三个过程：

6、套接字对

一个TCP连接的套接字对（socket pair）是一个定义该连接的两个端点的四元组：本地IP地址、本地TCP端口号。外地IP地址、外地TCP端口号。套接字对唯一标识一个网络上的每个TCP连接。

标识每个端点的两个值（IP地址和端口号）通常称为一个套接字。