TCP/IP之十：TCP连接的建立与终止

TCP是传输层的重量级成员，也是整个TCP/IP协议栈的重要组成部分，也正因为这点，协议栈的名字里面才有TCP这样的字样。TCP是端到端的通信协议，它向上层应用提供了可靠的，面向连接的服务，为了实现这样的服务，TCP采用了许多其它协议不曾用到的机制，比如序列号、滑动窗口、超时重传、慢启动等等，同步、流量控制等议题在TCP中体现得淋漓尽致。

为了分析TCP的运行机制，我们先来看看TCP的首部结构：





（1）前面四个字节和UDP类似仍然是源端口号和目的端口号；
Sequence Number:序列号，用于通信双方的同步，TCP在概念上给每个被传输的字节都编号，序列号字段存储了该分节中数据字段第一个字节的编号；
Acknowledgment Number:确认序号，TCP对通信双方发送的分节都确认（ack分节没有确认），确认是通过确认序号来完成的，确认序号字段存储的是发送方期望收到的下一个字节的编号；

Data offset: 数据偏移量，有的资料称之为首部长度，其实表达的是同一个概念，这个字段占了4位，并且以4字节为单位，所以和IP首部中的首部长度字段是一样的，它的最大值为15，说明TCP首部最长可以为60字节（20字节固定长度+最多40字节的选项字段）；接下来是6位的保留字段；接着是6位标志比特，具体的标志我们在（2）中阐述；window字段用以告诉对方本地可以接收的数据编号范围；

Checksum:该校验和的计算和UDP首部中的校验和计算方法完全一样；
Urgent Pointer:紧急指针，我们在后面会详述这个字段；

接着是Options选项字段，最常见的选项是用以说明MSS;当TCP首部长度不是4字节的整数倍时需要进行填充。 

（2）6位标志字段： 

        URG:紧急指针位，该位为1，紧急指针字段才有效； 

        ACK:确认位，该位为1，确认序号才有效； 

        PSH:用以告知接收方尽快将数据提交给应用程序； 

        RST:复位标志，后面会讲TCP什么时候发送这个标志； 

        SYN:同步位，建立连接的时候用，用于同步双方的序号； 

        FIN: 撤销连接的使用用，用以告诉对方，主机不再往对端发送数据。 

（3）TCP首部的Options: 

选项格式有以下两种（第二种格式中的长度包含从选项类型到数据的总长度）：

选项类型

选项类型

选项长度

选项数据

在RFC793中第一的选项只有三种，要求每一种TCP实现都必须支持。





0用于表示选项结束；1用于填充使每个选项为4字节的倍数（对于为什么要填充不是很明白？另外，不是每个TCP实现都会这么做）；而MSS格式如下：





最新的TCP实现往往还支持时间戳选项和窗口扩大因子选项等一些其它选项。（详情可参考RFC1323）

TCP连接的建立与释放




TCP正常连接建立与释放的过程如上图所示，连接时需要三次握手，释放时需要四次握手。
三次握手过程： 

（1）客户端发送设置了SYN位的分节，序号字段为J，并且一般会通告MSS; 

（2）服务器端接收到客户端的请求，立马做出确认，并且通告本地的序号和MSS; 

（3）客户端确认，服务器端接收到确认，至此，连接建立。
四次握手过程： 
（1）客户端执行主动关闭，发送带有FIN标志的分节，说明客户端不会再往这个连接写数据； 
（2）服务器端确认这个FIN分节；（此时如果服务器不发送FIN，则连接处理半关闭状态） 
（3）服务器也发送FIN，说明服务器端也不发送数据了； 
（4）最后客户端也需要再做最后的确认。

同时打开：





同时关闭：




上面所述的正常连接建立和关闭，以及同时关闭和同时打开，囊括了TCP的所有状态，也说明了其状态转换过程。关于TCP的各种状态，最需要说明的是TIME_WAIT状态。

TIME_WAIT状态发生在连接释放时，己方发送完最后的ACK。该状态又称为2MSL（maximum segment lifetime）等待状态，意思是这个状态会持续2MSL的时间，之所以需要这样一个持续时间主要有两个原因：一是确保最后的ACK在丢失时能够重发；二是保证本连接中的数据包不会被将来新建的这个连接的副本接收（虽然出错的概率比较小 ）。

最后说明两点：

（1）上面有提到MSS，这个MSS主要是为了避免IP分片的，MSS的计算到分析源码的时候我们再详细阐述； 

（2）2MSL又是如何计算的呢？分节的MSL生存时间又是怎么实现的呢？