TCP协议（一）概述
关于TCP协议，想开一个专题来介绍一下。先挖坑再慢慢填。如有纰漏，欢迎指正 😄
什么是TCP协议
TCP（Transmission Control Protocol 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，由IETF RFC 793定义。
TCP协议位于OSI 7层参考模型和TCP/IP 4层参考模型的传输层，TCP/IP参考模型：
- 应用层。处于最高层，这一层有较多协议，例如：HTTP/FTP/SMTP协议
- 传输层。主要有TCP和UDP协议，TCP传输的是数据段（Segment），UDP传输的是数据报（Datagram）
- 网络层。有IP/ICMP协议等，IP协议传输的是包（Packet）
- 网络接口层。对应OSI的数据链路层和物理层，数据链路层传输的是帧（Frame），物理层传输的是比特（Bit）
TCP数据段 Segment
以太网帧（Frame）默认的MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元）是1500字节，如下图所示：
也就是说，IP协议的包最长是1500字节，IP协议头至少20字节，TCP协议头至少20字节，因此TCP协议的最大负载（payload）是1460字节，但TCP和IP协议往往有额外的头信息，因此TCP实际负载要低于1460字节。
如果应用层协议（如HTTP）要发送2500字节数据怎么办？那就需要分成两个TCP Segment，通过给Segment编号确保接收方能按顺序进行数据还原。
TCP头信息
协议中对TCP头部的定义如下 图片来源 ：
- Source Port 源端口，即本地端口 16 Bits
- Destination Port 目标端口，即远程端口 16 Bits
提示
前面说过TCP是面向连接的，而一个TCP连接是由五元组来确定（源IP，源端口，目标IP，目标端口，协议），在TCP头部只定义了端口，IP地址和协议信息是在IP协议头中定义。
- Sequence Number 序号，用于保证数据有序，通常缩写为SEQ
- Acknowledgement Number 通常缩写为ACK，数据接收方每收到一个Segment都会回复一个ACK，以确保数据不丢失
- Offset 偏移量，该字段指定了TCP头部会有几个32 Bits的Word组成，取值范围[5,15]，即TCP头部长度在20 Bytes ~ 60 Bytes 之间
- Reserved 4 Bits的保留字段
- Flags 标志位 8 Bits，Bit置为1表示该位生效，后续会再详细介绍，这里仅简单说明含义
| 标志位 | 含义 |
|---|---|
| CWR | 略 |
| ECE | 略 |
| URG | 紧急标志，表示这个Segment需要优先处理 |
| ACK | 略 |
| PSH | 表示Segment需要优先处理 |
| RST | 复位标志，用于告诉对方需要重置一个连接 |
| SYN | 用于在三次握手中建立连接 |
| FIN | 用于关闭连接 |
提示
PSH与URG的区别：带有PSH的Segment会进入接收端缓冲区，并告知接收方应刷新缓冲区，把缓冲区中的所有数据都交付给应用层；而URG报文不会进入接收端缓冲区，会直接交付到应用层。
- Window 即滑动窗口（Sliding Window），用于流量控制，后续再详细介绍
- Checksum TCP Segment的校验和
- Urgent Pointer 紧急数据指针，只有URG标志位为1时有效
TCP的状态
掌握TCP就必须了解每个TCP连接的状态迁移：
以及三次握手和四次握手：
三次握手
三次握手用于建立TCP连接，在三次握手之前，Server必须处于监听（LISTEN)状态，并打开一个端口，否则将无法建立起连接。三次握手的过程：
- Client向Server发送SYN标志和初始化序列号（ISN: Initial Sequence Number），即图中的x，此时Client进入SYN_SENT状态
- Server收到SYN和SEQ=x，回复ACK=x+1，并同时产生一个Server端的ISN（即图中的y）和SYN标志发送给Client，此时Server进入SYN_RCVD状态
- Client收到ACK，确认ACK是否为x+1，收到SYN+SEQ y，回复ACK=y+1。此时Client进入ESTABLISHED状态，当Server收到ACK时也进入ESTABLISHED状态，完成TCP连接建立。
提示
三次握手的过程可以看成双方交换ISN的过程，双方发送自己的ISN并确认收到对方的ISN。
四次握手
四次握手用于断开TCP连接，前面提到TCP是面向连接的、可靠的，因此断开连接的过程也要保证是可靠的。关于上图有一点需要注意：TCP断开连接并不是一定要Client来发起，Server端同样可以发起。我习惯上称主动关闭的一方和被动关闭的一方，为便于表述以及和图片对照，仍把主动关闭的一方称为Client。四次握手过程如下：
- Client发起FIN报文+SEQ，进入FIN_WAIT_1状态
- Server收到FIN后回复ACK，进入CLOSE_WAIT状态
- Server等待自己的数据全部发送完毕后，向Client发送一个FIN，进入LAST_ACK状态，等待最后一个ACK
- Client收到Server的FIN，回复ACK后进入TIME_WAIT状态，Server收到ACK直接关闭
Client进入TIME_WAIT后仍需等待2 MSL（Max Segment Lifetime,最大数据段生存周期）才能进入CLOSED状态。因为：1.需要确保Server端收到最后一个ACK，若Server端未收到ACK会重发FIN，此时Client还需响应；2.因Segment在网络中的最长生存周期是MSL，等待2MSL可以确保在本次TCP连接中发送的Segment在网络中消失，避免跟后续连接的数据包混在一起。
提示
RFC793定义的MSL是2分钟，在Linux中硬编码为30秒，网上流传可以通过调整tcp_fin_timeout参数来改变MSL实际上是不对的
在四次握手中，
主动关闭的一方会经历 FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT -> CLOSED，
被动关闭的一方会经历 CLOSE_WAIT -> LAST_ACK -> CLOSED，
记住以上状态变更，对定位相关问题会有帮助~~
实战：netstat 工具
理论需要配合实践，netstat就是查看网络连接的最好工具，这里先介绍基本使用，后续将会有高级用法。
Windows和Linux都自带netstat工具，可以查看协议五元组和连接状态，在Linux中使用-t参数可以查看所有TCP连接：