TCP协议详解及实战解析【精心整理收藏】
TCP协议简介
TCP协议是在TCP/IP协议模型中的运输层中很重要的一个协议、负责处理主机端口层面之间的数据传输。主要有以下特点：
1.TCP是面向链接的协议，在数据传输之前需要通过三次握手建立TCP链接，当数据传递完成之后，需要通过四次挥手进行连接释放。
2.每一条TCP通信都是两台主机和主机之间的，是点对点传输的协议。
3.TCP提供可靠的、无差错、不丢失、不重复，按序到达的服务。
4.TCP的通信双方在连接建立的任何时候都可以发送数据。TCP连接的两端都设有发送缓存和接收缓存，用来临时存放双向通信的数据。
5.面向字节流。在数据传输的过程中如果报文比较长的话TCP会进行数据分段传输，每一条分段的TCP传输信息都带有分段的序号，每一段都包含一部分字节流。接收方根据每段携带的的序号信息进行数据拼接，最终拼接出来初始的传输数据。但是在整个传输的过程中每一段TCP携带的都是被切割的字节流数据。所以说TCP是面向字节流的。
a.TCP和UDP在发送报文时所采用的方式完全不同。TCP并不关心应用程序一次把多长的报文发送到TCP缓存中，而是根据对方给出的窗口值和当前网络拥塞的程度来决定一个报文段应包含多少个字节（UDP发送的报文长度是应用程序给出的）。
b.如果应用程序传送到TCP缓存的数据块太大，TCP就可以把它划分短一些再传。TCP也可以等待积累有足够多的字节后再构建成报文段发送出去。
TCP包头格式
各字段含义：
源端口：发送端的端口号
目的端口：接收端的端口号
序号：TCP将发送报文分段传输的时候会给每一段加上序号，接收端也可以根据这个序号来判断数据拼接的顺序，主要用来解决网络报乱序的问题
确认号：确认号为接收端收到数据之后进行排序确认以及发送下一次期待接收到的序号，数值 = 接收到的发送号 + 1
数据偏移：占4比特，表示数据开始的地方离TCP段的起始处有多远。实际上就是TCP段首部的长度。由于首部长度不固定，因此数据偏移字段是必要的。数据偏移以32位为长度单位，因此TCP首部的最大长度是60（15*4）个字节。
控制位：
URG：此标志表示TCP包的紧急指针域有效，用来保证TCP连接不被中断，并且督促 中间层设备要尽快处理这些数据;
ACK：此标志表示应答域有效，就是说前面所说的TCP应答号将会包含在TCP数据包中;有两个取值：0和1， 为1的时候表示应答域有效，反之为0;
PSH：这个标志位表示Push操作。所谓Push操作就是指在数据包到达接收端以后，立即传送给应用程序， 而不是在缓冲区中排队;
RST：这个标志表示连接复位请求。用来复位那些产生错误的连接，也被用来拒绝错误和非法的数据包;
SYN：表示同步序号，用来建立连接。SYN标志位和ACK标志位搭配使用，当连接请求的时候，SYN=1， ACK=0;连接被响应的时候，SYN=1，ACK=1;这个标志的数据包经常被用来进行端口扫描。扫描者发送 一个只有SYN的数据包，如果对方主机响应了一个数据包回来 ，就表明这台主机存在这个端口;但是由于这 种扫描方式只是进行TCP三次握手的第一次握手，因此这种扫描的成功表示被扫描的机器不很安全，一台安全 的主机将会强制要求一个连接严格的进行TCP的三次握手;
FIN： 表示发送端已经达到数据末尾，也就是说双方的数据传送完成，没有数据可以传送了，发送FIN标志 位的TCP数据包后，连接将被断开。这个标志的数据包也经常被用于进行端口扫描。
窗口：TCP里很重要的一个机制，占2字节，表示报文段发送方期望接收的字节数，可接收的序号范围是从接收方的确认号开始到确认号加上窗口大小之间的数据。后面会有实例讲解。
校验和：校验和包含了伪首部、TCP首部和数据，校验和是TCP强制要求的，由发送方计算，接收方验证
紧急指针：URG标志为1时，紧急指针有效，表示数据需要优先处理。紧急指针指出在TCP段中的紧急数据的最后一个字节的序号，使接收方可以知道紧急数据共有多长。
选项：最常用的选项是最大段大小（Maximum Segment Size，MSS），向对方通知本机可以接收的最大TCP段长度。MSS选项只在建立连接的请求中发送。
放在以太网帧里看TCP的位置
TCP 数据包在 IP 数据包的负载里面。它的头信息最少也需要20字节，因此 TCP 数据包的最大负载是 1480 - 20 = 1460 字节。由于 IP 和 TCP 协议往往有额外的头信息，所以 TCP 负载实际为1400字节左右。
因此，一条1500字节的信息需要两个 TCP 数据包。HTTP/2 协议的一大改进， 就是压缩 HTTP 协议的头信息，使得一个 HTTP 请求可以放在一个 TCP 数据包里面，而不是分成多个，这样就提高了速度。
以太网数据包的负载是1500字节，TCP 数据包的负载在1400字节左右
TCP里重要知识点
TCP 数据包的编号（SEQ）
一个包1400字节，那么一次性发送大量数据，就必须分成多个包。比如，一个 10MB 的文件，需要发送7100多个包。
发送的时候，TCP 协议为每个包编号（sequence number，简称 SEQ），以便接收的一方按照顺序还原。万一发生丢包，也可以知道丢失的是哪一个包。
第一个包的编号是一个随机数。为了便于理解，这里就把它称为1号包。假定这个包的负载长度是100字节，那么可以推算出下一个包的编号应该是101。这就是说，每个数据包都可以得到两个编号：自身的编号，以及下一个包的编号。接收方由此知道，应该按照什么顺序将它们还原成原始文件。
TCP 数据包的组装
收到 TCP 数据包以后，组装还原是操作系统完成的。应用程序不会直接处理 TCP 数据包。
对于应用程序来说，不用关心数据通信的细节。除非线路异常，否则收到的总是完整的数据。应用程序需要的数据放在 TCP 数据包里面，有自己的格式（比如 HTTP 协议）。
TCP 并没有提供任何机制，表示原始文件的大小，这由应用层的协议来规定。比如，HTTP 协议就有一个头信息Content-Length，表示信息体的大小。对于操作系统来说，就是持续地接收 TCP 数据包，将它们按照顺序组装好，一个包都不少。
操作系统不会去处理 TCP 数据包里面的数据。一旦组装好 TCP 数据包，就把它们转交给应用程序。TCP 数据包里面有一个端口（port）参数，就是用来指定转交给监听该端口的应用程序。
应用程序收到组装好的原始数据，以浏览器为例，就会根据 HTTP 协议的Content-Length字段正确读出一段段的数据。这也意味着，一次 TCP 通信可以包括多个 HTTP 通信。
慢启动和 ACK
服务器发送数据包，当然越快越好，最好一次性全发出去。但是，发得太快，就有可能丢包。带宽小、路由器过热、缓存溢出等许多因素都会导致丢包。线路不好的话，发得越快，丢得越多。
最理想的状态是，在线路允许的情况下，达到最高速率。但是我们怎么知道，对方线路的理想速率是多少呢？答案就是慢慢试。
TCP 协议为了做到效率与可靠性的统一，设计了一个慢启动（slow start）机制。开始的时候，发送得较慢，然后根据丢包的情况，调整速率：如果不丢包，就加快发送速度；如果丢包，就降低发送速度。
Linux 内核里面设定了（常量TCP_INIT_CWND），刚开始通信的时候，发送方一次性发送10个数据包，即"发送窗口"的大小为10。然后停下来，等待接收方的确认，再继续发送。
默认情况下，接收方每收到两个 TCP 数据包，就要发送一个确认消息。"确认"的英语是 acknowledgement，所以这个确认消息就简称 ACK。
ACK 携带两个信息。
- 期待要收到下一个数据包的编号
- 接收方的接收窗口的剩余容量
发送方有了这两个信息，再加上自己已经发出的数据包的最新编号，就会推测出接收方大概的接收速度，从而降低或增加发送速率。这被称为"发送窗口"，这个窗口的大小是可变的。
注意，由于 TCP 通信是双向的，所以双方都需要发送 ACK。两方的窗口大小，很可能是不一样的。而且 ACK 只是很简单的几个字段，通常与数据合并在一个数据包里面发送。
即使对于带宽很大、线路很好的连接，TCP 也总是从10个数据包开始慢慢试，过了一段时间以后，才达到最高的传输速率。这就是 TCP 的慢启动。
数据包的遗失处理
TCP 协议可以保证数据通信的完整性，这是怎么做到的？
前面说过，每一个数据包都带有下一个数据包的编号。如果下一个数据包没有收到，那么 ACK 的编号就不会发生变化。
举例来说，现在收到了4号包，但是没有收到5号包。ACK 就会记录，期待收到5号包。过了一段时间，5号包收到了，那么下一轮 ACK 会更新编号。如果5号包还是没收到，但是收到了6号包或7号包，那么 ACK 里面的编号不会变化，总是显示5号包。这会导致大量重复内容的 ACK。
如果发送方发现收到三个连续的重复 ACK，或者超时了还没有收到任何 ACK，就会确认丢包，即5号包遗失了，从而再次发送这个包。通过这种机制，TCP 保证了不会有数据包丢失。
滑动窗口
在TCP里，接收端(B)会给发送端(A)报一个窗口的大小，叫Advertised window。
1.在没有收到B的确认情况下，A可以连续把窗口内的数据都发送出去。凡是已经发送过的数据，在
未收到确认之前都必须暂时保留，以便在超时重传时使用。
2.发送窗口里面的序号表示允许发送的序号。显然，窗口越大，发送方就可以在收到对方确认之前连续
发送更多数据，因而可能获得更高的传输效率。但接收方必须来得及处理这些收到的数据。
3.发送窗口后沿的后面部分表示已发送且已收到确认。这些数据显然不需要再保留了。
4.发送窗口前沿的前面部分表示不允许发送的，应为接收方都没有为这部分数据保留临时存放的缓存空间。
5.发送窗口后沿的变化情况有两种：不动（没有收到新的确认）和前移（收到了新的确认）
6.发送窗口前沿的变化情况有两种：不断向前移或可能不动（没收到新的确认）
超时重传时间的选择
TCP的发送方在规定时间内没有收到确认就要重传已发送的报文段。这种重传的概念很简单，但重传时间的选择确是TCP最复杂的问题之一。TCP采用了一种自适应算法，它记录一个报文段发出的时间，以及收到响应的确认的时间
这两个时间之差就是报文段的往返时间RTT。TCP保留了RTT的一个加权平均往返时间。超时重传时间RTO略大于加权平均往返时间
选择确认SACK
如果收到的报文段无差错，只是未按序号，中间还缺少一些序号的数据，那么能否设法只传送缺少的数据而不重传已经正确到达接收方的数据？
答案是可以的，选择确认就是一种可行的处理方法。
如果要使用选项确认SACK，那么在建立TCP连接时，就要在TCP首部的选项中加上“允许SACK”的选项，而双方必须都事先商定好。如果使用选择确认，
那么原来首部中的“确认号字段”的用法仍然不变。SACK文档并没有明确发送方应当怎么响应SACK.因此大多数的实现还是重传所有未被确认的数据块。
TCP的流量控制
一般说来，我们总是希望数据传输的更快一些，但如果发送方把数据发送的过快，接收方就可能来不及接收，这会造成数据的丢失。所谓流量控制就是让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收。
TCP的拥塞控制
在计算机网络中的链路容量，交换节点中的缓存和处理机等，都是网络的资源。在某段时间，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就要变坏。这种情况就叫做拥塞。
拥塞控制方法：
1.慢开始和拥塞避免
2.快重传和快恢复
3.随机早期检测
TCP三次握手
1.一开始，客户端和服务端都处于CLOSED状态
2.先是服务端主动监听某个端口，处于LISTEN状态（比如服务端启动，开始监听）。
3.客户端主动发起连接SYN，之后处于SYN-SENT状态（第一次握手，发送 SYN = 1 ACK = 0 seq = x ack = 0）。
4.服务端收到发起的连接，返回SYN，并且ACK客户端的SYN，之后处于SYN-RCVD状态（第二次握手，发送 SYN = 1 ACK = 1 seq = y ack = x + 1）。
5.客户端收到服务端发送的SYN和ACK之后，发送ACK的ACK，之后处于ESTABLISHED状态（第三次握手，发送 SYN = 0 ACK = 1 seq = x + 1 ack = y + 1）。
6.服务端收到客户端的ACK之后，处于ESTABLISHED状态。
（需要注意的是，有可能X和Y是相等的，可能都是0，因为他们代表了各自发送报文段的序号。）
TCP连接释放四次挥手
1.当前A和B都处于ESTAB-LISHED状态。
2.A的应用进程先向其TCP发出连接释放报文段，并停止再发送数据，主动关闭TCP连接。
3.B收到连接释放报文段后即发出确认，然后B进入CLOSE-WAIT(关闭等待)状态。TCP服务器进程这时应通知高层应用进程，因而从A到B这个方向的连接就释放了，这时TCP连接处于半关闭状态，即A已经没有数据发送了。
从B到A这个方向的连接并未关闭，这个状态可能会持续一些时间。
4.A收到来自B的确认后，就进入FIN-WAIT-2(终止等待2)状态，等待B发出的连接释放报文端。
5.若B已经没有向A发送的数据，B发出连接释放信号，这时B进入LAST-ACK(最后确认)状态等待A的确认。
6.A再收到B的连接释放消息后，必须对此发出确认，然后进入TIME-WAIT（时间等待）状态。请注意，现在TCP连接还没有释放掉，必须经过时间等待计时器（TIME－WAIT timer）设置的时间2MSL后，A才进入CLOSED状态。
7。B收到A发出的确认消息后，进入CLOSED状态。
真实数据演示TCP三次握手
以请求百度为例，看一下三次握手真实数据的TCP连接建立过程
第一次握手解析
第二次握手解析
第三次握手解析
四次挥手
我们再来看四次挥手。TCP断开连接时，会有四次挥手过程，标志位是FIN，我们在封包列表中找到对应位置，理论上应该找到4个数据包，但我试了好几次，实际只抓到3个数据包。查了相关资料，说是因为服务器端在给客户端传回的过程中，将两个连续发送的包进行了合并。因此下面会按照合并后的三次挥手解释，若有错误之处请指出。
第一步，当主机A的应用程序通知TCP数据已经发送完毕时，TCP向主机B发送一个带有FIN附加标记的报文段（FIN表示英文finish）。
第二步，主机B收到这个FIN报文段之后，并不立即用FIN报文段回复主机A，而是先向主机A发送一个确认序号ACK，同时通知自己相应的应用程序：对方要求关闭连接（先发送ACK的目的是为了防止在这段时间内，对方重传FIN报文段）。
第三步，主机B的应用程序告诉TCP：我要彻底的关闭连接，TCP向主机A送一个FIN报文段。
第四步，主机A收到这个FIN报文段后，向主机B发送一个ACK表示连接彻底释放。
介绍完毕，就这？
是的，就这。
补充：
TCP状态机
大部分内容为网络整理，方便自己学习回顾，参考文章：
TCP 协议简介
TCP协议图文详解
什么是TCP协议？
wireshark抓包分析——TCP/IP协议
TCP协议的三次握手和四次挥手