1 简介

TCP 是确保数据在 Internet 上可靠传输的通信协议。在本文中，我们不仅会向您介绍 TCP 是什么，还会深入探讨其丰富的历史、内部运作、它与 Internet 协议 （IP） 的共生关系等等。

TCP/IP 模型 （传输控制协议/Internet 协议） 是一个四层网络框架，可通过互连网络实现设备之间的可靠通信。它提供了一组标准化的协议，用于跨互连网络传输数据，确保高效、无差错的交付。

每一层都有特定的功能，有助于管理网络通信的不同方面，这对于理解和使用现代网络至关重要。

TCP/IP 由国防部 （DoD） 在 1970 年代设计和开发，基于标准协议。TCP/IP 模型是 OSI 模型的简明版本。它与 OSI 模型中的 7 层不同，它包含 4 层。

传输控制协议（通常称为 TCP）是全球计算机网络之间数据通信的基础支柱。作为 Internet 协议 （IP） 套件的一部分，TCP 专门用于实现可靠、有序和错误检查的数据交付。这可确保在发送电子邮件、下载文件或流式传输电影时，每个数据包都完好无损、按顺序且无错误地到达。

• 主要特点

可靠的传输： TCP 的决定性特征之一是它的可靠性。发送数据包时，发送方希望接收方提供确认 （ACK）。如果在预定时间内未收到 ACK，则重新发送数据包。

按序送达：TCP 对它发送的每个数据包进行编号。此编号允许接收方以正确的顺序重新组合数据，即使数据包不按顺序到达也是如此。

错误检查：在发送数据包之前和接收数据包之后，TCP 使用校验和执行错误检查。如果数据包到达时出现错误，则会丢弃该数据包，并触发自动重新传输请求。
拥塞控制：TCP 会根据网络拥塞动态调整其传输速率，从而避免不必要的负载并提高整体网络性能。

2 建立连接的三次握手

TCP协议位于传输层，作用是提供可靠的字节流服务，为了准确无误地将数据送达目的地，TCP协议采纳三次握手策略。

• 三次握手原理：

第1次握手：客户端发送一个带有SYN（synchronize）标志的数据包给服务端；

第2次握手：服务端接收成功后，回传一个带有SYN/ACK标志的数据包传递确认信息，表示我收到了；

第3次握手：客户端再回传一个带有ACK标志的数据包，表示我知道了，握手结束。

其中：SYN标志位数置1，表示建立TCP连接；ACK标志表示验证字段。

• 三次握手过程详细说明：

  1、客户端发送建立TCP连接的请求报文，其中报文中包含seq序列号，是由发送端随机生成的，并且将报文中的SYN字段置为1，表示需要建立TCP连接。（SYN=1，seq=x，x为随机生成数值）；

  2、服务端回复客户端发送的TCP连接请求报文，其中包含seq序列号，是由回复端随机生成的，并且将SYN置为1，而且会产生ACK字段，ACK字段数值是在客户端发送过来的序列号seq的基础上加1进行回复，以便客户端收到信息时，知晓自己的TCP建立请求已得到验证。（SYN=1，ACK=x+1，seq=y，y为随机生成数值）这里的ack加1可以理解为是确认和谁建立连接；

  3、客户端收到服务端发送的TCP建立验证请求后，会使自己的序列号加1表示，并且再次回复ACK验证请求，在服务端发过来的seq上加1进行回复。（SYN=1，ACK=y+1，seq=x+1

2 断开的四次挥手

由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。

收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。

• 四次挥手原理：

第1次挥手：客户端发送一个FIN，用来关闭客户端到服务端的数据传送，客户端进入FIN_WAIT_1状态；

第2次挥手：服务端收到FIN后，发送一个ACK给客户端，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），服务端进入CLOSE_WAIT状态；

第3次挥手：服务端发送一个FIN，用来关闭服务端到客户端的数据传送，服务端进入LAST_ACK状态；

第4次挥手：客户端收到FIN后，客户端t进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，服务端进入CLOSED状态，完成四次挥手。

其中：FIN标志位数置1，表示断开TCP连接。

可通过以下步骤理解四次挥手：

• 四次挥手过程详细说明：

1、客户端发送断开TCP连接请求的报文，其中报文中包含seq序列号，是由发送端随机生成的，并且还将报文中的FIN字段置为1，表示需要断开TCP连接。（FIN=1，seq=x，x由客户端随机生成）；

2、服务端会回复客户端发送的TCP断开请求报文，其包含seq序列号，是由回复端随机生成的，而且会产生ACK字段，ACK字段数值是在客户端发过来的seq序列号基础上加1进行回复，以便客户端收到信息时，知晓自己的TCP断开请求已经得到验证。（FIN=1，ACK=x+1，seq=y，y由服务端随机生成）；

3、服务端在回复完客户端的TCP断开请求后，不会马上进行TCP连接的断开，服务端会先确保断开前，所有传输到A的数据是否已经传输完毕，一旦确认传输数据完毕，就会将回复报文的FIN字段置1，并且产生随机seq序列号。（FIN=1，ACK=x+1，seq=z，z由服务端随机生成）；

4、客户端收到服务端的TCP断开请求后，会回复服务端的断开请求，包含随机生成的seq字段和ACK字段，ACK字段会在服务端的TCP断开请求的seq基础上加1，从而完成服务端请求的验证回复。（FIN=1，ACK=z+1，seq=h，h为客户端随机生成）

至此TCP断开的4次挥手过程完毕

 LISTEN：等待从任何远端TCP和端口的连接请求
 SYN_SENT: 发送一个连接请求后等待一个匹配的连接请求
 SYN_RECEIVED: 发送连接请求并且接收到匹配的连接请求后等待连接请求确认
 ESTABLISHED: 表示一个打开的连接，接收到的数据可以倍投递到用户。连接的数据传输阶段的正常状态
 FIN_WAIT_1: 等待远端TCP的连接终止请求，或者等待之前发送的连接终止请求的确认。
 FIN_WAIT_2: 等待远端TCP的连接终止请求。
 CLOSE_WAIT: 等待本地用户的连接终止请求。
 CLOSING： 等待远端TCP的连接终止请求确认。
 LAST_ACK: 等待先前发送给远端TCP的连接终止请求的确认，包括它字节的连接终止请求的确认。
 TIME_WAIT: 等待足够的时间过期以确保远端TCP接收到它的连接终止请求的确认。
    1 可靠的实现tcp全双工连接的终止
    2 允许老的重复连接在网络中消失
 CLOSED： 不在连接状态，这是为方便描述假想的状态，实际不存在。

4 优缺点和连接状态机管理

TCP连接过程中有众多链接状态需要管理，其转换过程可以用如下状态机表示：

TCP/IP 模型的优点

互作性 ：TCP/IP 模型允许不同类型的计算机和网络相互通信，促进不同系统之间的兼容性和协作。
可扩展性 ： TCP/IP 具有高度可扩展性，使其适用于小型和大型网络，从局域网 （LAN） 到互联网等广域网 （WAN）。
标准化 ：它基于开放的标准和协议，确保不同的设备和软件可以协同工作而不会出现兼容性问题。
灵活性 ： 该模型支持各种路由协议、数据类型和通信方式，使其能够适应不同的网络需求。
可靠性 ： TCP/IP 包括错误检查和重传功能，可确保可靠的数据传输，即使远距离和各种网络条件也是如此。

TCP/IP 模型的缺点

安全问题 ： TCP/IP 最初在设计时并未考虑安全性。虽然现在有许多可用的安全协议（例如 SSL/TLS），但它们已添加到基本 TCP/IP 模型之上，这可能会导致漏洞。
小型网络效率低下 ：对于非常小的网络，与更简单的网络协议相比，TCP/IP 模型的开销和复杂性可能是不必要的且效率低下。
受地址空间限制 ：尽管 IPv6 解决了这个问题，但较旧的 IPv4 系统的地址空间有限，这可能会导致大型网络中出现地址耗尽的问题。
数据开销 ：TCP 是传输协议，包括大量开销，以确保可靠传输。这可能会降低效率，尤其是对于小数据包或速度至关重要的网络。

5 小结

TCP 不仅仅是一种协议;它是当今大多数互联网通信的基本心跳。从 1970 年代的起源到现在无处不在的地位，TCP 已经展示了无与伦比的适应性和弹性。

了解其核心功能、细分结构、安全注意事项和其他功能，可以让您了解复杂的工程设计，确保我们的数字交互既无缝又可靠。随着技术的不断发展，TCP 可能会适应和发展，进一步巩固其作为数字通信基石的作用。