简述

TCP / UDP 协议都是传输层的协议。

UDP 是面向无连接的协议，就是说发送端不在乎消息数据是否传输到接收端了，所以会出现数据丢失的情况，所以可靠性也不高。

TCP 是面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层协议。所谓面向连接的，就是必须发送端和接收端必须处于连接状态才能发送数据。可靠的就是无论网路链路出现的什么变化，都可以保证一个报文能够到达接收端。

字节流：用户消息通过 TCP 协议传输时，消息可能会被操作系统分组成多个 TCP 报文，如果接收方的程序如果不知道消息的边界，是无法读出一个有效的用户消息的。

TCP 建立连接

TCP 是面向连接的，所以传输数据前需要和接收端建立连接，通过三次握手来进行。过程如下图：

图片来源： 小林coding

简单描述一下三次握手：

1. 客户端首先初始化自己的序列号，发送带有 SYN 标识的报文给服务端，表示向服务端发起连接。客户端进入 SYN-SEND 状态。

2. 服务端接收到报文之后，同样初始化自己的序列号，同时将确认应答的序列号，也就是收到的客户端的序列号 + 1，返回给客户端发送带有 SYN + ACK 标识的报文，表示我接收到了你的连接请求，并同意连接。服务端进入 SYN-RCVD 状态。

3. 客户端接收到了服务端发来的应答，将收到的客户端的序列号 + 1，再次向服务端发送带有 ACK 表示的报文，表示我接收到你发的应答了，确认进入连接状态。这次握手是可以携带客户端到服务端的数据。客户端进入 ESTABLISHED 状态，在服务端收到客户端的应答之后也进入 ESTABLISHED 状态。

用一个例子来描述三次握手的情况。

为什么是三次握手

主要原因：三次握手是为了阻止重复历史连接的初始化。

设想一个场景，当客户端向服务端发送一个请求连接的报文之后宕机了，报文在到达服务器前被网络阻塞了，此时服务器并没有收到连接请求，状态没有变化。然后客户端重启之后，再次向服务端发送连接的报文。会出现下面的情况。

假设此时旧的请求报文比新的先到达服务端，然后向客户端发送应答报文，都知道，报文里是包含了客户端的序列号的，假设初始序列号是10，而服务端返回的是11（10+1），而客户端在重启之后发送的序列号是20，所以客户端现在期望收到的报文序列号应该是21（20+1），但是此时收到的是11，那么就会向服务端发送 RST 请求报文， 表示出现了历史连接，此次连接中止。（有内鬼，中止交易）。

而后一段时间之后，新发送的连接请求报文到达服务端，之后就会进行正常的 TCP 连接。用一个图来简单描述一下。

那么两次握手能不能解决历史连接的问题呢。

假设两次握手，那么第一次握手服务端收到客户端的SYN 之后，就进入到了 ESTABLISHED 状态，此时服务端是可以向客户端发送数据了，但是这个时候客户端还没有进入到 ESTABLISHED 状态。服务端向客户端发送 SYN+ACK 的报文之后，客户端如果判断此次是历史连接，那么会回复 RST 中断连接。但在这个期间，如果服务端发送了数据，那么发送的数据可能就丢失了，还浪费了资源。

三次握手之所以能解决历史连接的问题，就是因为如果这是历史连接，在第二次握手时服务端并不会进入到 ESTABLISHED 状态，也就不能发送数据给客户端，不会白白浪费资源。而是在客户端确认了不是历史连接的之后转变状态。

其他原因：同步初始序列号，避免浪费资源

1. 第一次握手，客户端向服务端发送报文。

2. 第二次握手，服务端向客户端发送报文，确认了客户端发送正常，服务端接收正常。

3. 第三次握手，客户端最后向服务端应答报文，确认了服务端发送正常，客户端接收正常。

由此确认了客户端和接收端连接正常。因为握手是会交换序列号的，也就是同步序列号，序列号在传输数据时去除重复的数据，可以根据序列号按序接收。

而两次握手不能确保序列号同步，同时不能确认是否连接正常，假如只有两次握手，少了第三次握手，那么服务端不知道客户端的接收是否正常，如果不正常，那么服务端发送的数据就会丢失，浪费了资源。

握手过程中出现了报文丢失怎么办

当第一次握手丢失了，当客户端向服务端第一次握手，然后客户端迟迟收不到服务端的 SYN+ACK 的报文，就会触发超时重传，重传的报文序列号是一样的。

而超时时间和重传次数也有限制，不可能一直让客户端发送连接请求，浪费资源，在Linux 里，重传次数是 5 ，而每次超时时间是上一次的两倍，一般第一次是 1秒，第二次就是2秒，以此类推，5次重传总耗时就是 1+2+4+8+16+31 = 63秒，大约一分钟，如果5次都丢失，那么就不会再进行连接了。

第二次握手丢失。第二次握手包含了给客户端的回应报文 ACK，和服务端发起建立连接的请求报文 SYN ，如果丢失了，客户端会以为第一次握手丢失了，那么会触发超时重传。正常情况下，客户端接收到第二次握手之后会发送 ACK 响应报文给服务端，但是服务端迟迟都收不到，那么服务端也会触发超时重传机制。

第三次握手丢失。第三次握手是客户端发送给服务端的响应报文，如果丢失了，服务端会认为第二次握手丢失了，所以服务端会触发超时重传机制。

TCP 断开连接的四次挥手

TCP 建立连接时需要发送报文，断开连接时同样需要发送报文。

1. 首先客户端想要断开连接，会发送一个带有 FIN 标识的请求报文给服务端。客户端进入 FIN_WAIT_1 状态。

2. 服务端接收到报文之后会回复给客户端一个带有 ACK 标识的应答报文。服务端进入 CLOSE_WAIT 状态。客户端接收到 ACK 报文之后进入 FIN_WAIT_2 状态。

3. 因为想要断开连接时服务端可能还有数据没有处理完，所以需要等待处理完成，处理完成之后会发送带有 FIN 标识的请求报文给客户端。服务端进入 LAST_ACK 状态。

4. 客户端接收到报文之后最后返回带有 ACK 标识的应答报文给服务端，客户端进入 TIME_WAIT  状态。服务端接收到ACK 报文之后进入到 CLOSE 状态。一段时间之后，客户端会进入 CLOSE 状态，双方都关闭连接。

图片来源 小林coding

可以用打电话的方式来打个比方。

为什么要挥手四次

从每次挥手发送带有标识的报文可以看出来，关闭连接时，客户端向服务端发送 FIN 报文，只是代表客户端已经发送数据完毕了，但是还能接收数据，同样的服务端也是这样。

服务端收到 FIN 报文时，回复一个 ACK 应答报文，表示我收到了你的请求，但是你先等等，我还有数据没处理完，等到我数据处理完了，我再发送客户端一个 FIN 报文表示我也没数据需要处理和发送了。

假设少了一次挥手，比如说服务端只发送了 ACK 报文，客户端就关闭连接的话，会导致还未处理和发送的数据出现错误或者丢失。

不过，在特定情况下，可以将四次挥手合并成三次挥手。比如服务端也没有数据处理和发送时，TCP 存在延迟确认机制且是默认开启的，那么第二次和第三次就会合并，变成三次挥手。

挥手丢失的话会发生什么

和握手相同，如果握手丢失了，发送方迟迟收不到回应，就会认为刚刚的报丢失了，就会触发超时重传机制。同样的是 ACK 报文是不会重传的，假如第二次挥手丢失了，那么客户端收不到 ACK 应答报文，那么就会认为FIN 报文丢失了，那么就会重传 FIN 报文。

简单来说，当前最近的 FIN 报文发送方会经常重传 FIN 报文。

为什么第四次挥手客户端需要等待 2*MSL（报文最长寿命）时间后才进入 CLOSE 状态

在第三次挥手时，服务端会发送 FIN 报文给客户端，关闭连接，但是如果出现了第三次或者第四次挥手丢失的情况，服务端都会触发超时重传机制来重新发送 FIN 报文。

MSL 一个片段在网络中最大的存活时间，2MSL 就是一个发送和一个回复所需的最大时间，如果这个大于这个时间客户端还没有收到服务端重新发送的 FIN 报文，那么客户端就认为服务端已经接收到了自己发送的 ACK 应答报文，然后进行 CLOSE 状态，代表 TCP 连接完成中断。