一.TCP是什么

首先我们需要知道TCP是什么,TCP全称是传输控制协议（Transmission Control Protocol），它是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。
网络传输，无非就是要做两件事情，一是做决策，二是做执行，在网络传输中，传输层主要做的是决策，下面的层做执行。所以TCP的任务就是做决策，决定怎么样去发数据，怎么发，什么时候发，出错了怎么办等一系列的问题。

二.TCP协议格式

在这里插入图片描述

1.报头属性解释

首先大致说一下报文中各个属性的作用

源/目的端口号: 表示数据是从哪个进程来, 到哪个进程去;
32位序号/32位确认序号: 见下方的 三.2
- 序号用来保证当前携带数据能够按序被对方接受（收到后排序）；
- 确认序号用来告诉对方，收到了对方当前确认序号之前的所有报文。
4位TCP报头长度（单位是4字节）: 表示该TCP报头有多少个32位bit(有多少个4字节); 所以TCP头部最大长度是15 * 4 = 60字节（毕竟4位最大是15），见2）TCP首部长度/如何解包分用
TCP报头长度最小是20个字节，一般都是20个字节。最大长度是60位。
6位标志位:见下方的 5.6个标志位
16位窗口大小: 见下方四
16位校验和: 发送端填充, CRC校验. 接收端校验不通过, 则认为数据有问题. 此处的检验和不光包含TCP首部, 也包含TCP数据部分.
16位紧急指针: 标识哪部分数据是紧急数据;（见五.URG标志位）
40字节头部选项: 这里暂时不做解释

TCP首部长度/如何解包分用

TCP标准长度是20个字节（这里有5行，一行4字节，最少就是20个字节），所以一般来说，4位表示TCP首部的长度一般是0101（5），表示20个字节（单位是4字节）

Q1：如何解包？从前20个字节中获取到4位首部长度，从而确定首部占多少字节，然后分离首部和有效载荷即可。

Q2：如何分用？tcp的报头中，也存在16位的目的端口号，所以根据目的端口号，交付给上层对应的应用进程。

三.确认应答机制-tcp如何保证可靠性

1.确认应答机制

1.TCP保证可靠性最核心的机制：基于序号的确认应答机制（没有这个机制，其他的机制都无法成立。）
2. 这个机制就是通过应答，来保证上一条消息100%被对方收到了。（核心意义：我收到应答，那就说明上一条消息对方收到了）（收到报文要返回应答并不是核心意义）
3.我收到应答以后，要给对方应答，让对方知道他的应答我收到了；对方收到以后又要应答，也就是应答的应答…所以最后总会有最新的一条消息，是没有应答的。因此tcp并不是100%可靠的。
4.所谓的可靠性：只要一条消息有应答，我们就能确认该消息被对方100%收到了。

结论：
1.互联网长距离传输中，没有百分百可靠的协议。
2.只要一条消息有应答，我们就能确认该消息被对方100%收到了

e.g.
如果client给server发消息，
1.client向server发送数据，server收到数据后，给client发送一个应答。
2.client收到应答后，对于client来说，就可以保证这一次传输的可靠性，也就是client知道server收到了自己发送的消息。
tips：虽然server无法确定自己的应答有没有被对方收到，但是无所谓，因为是client发送的数据，client知道sever收到自己发的消息就可以了。
如果server给client发消息，同理。

结论：基于确认和应答，双方每次收到数据的时候都给出应答，对方收到应答，这样就能保证双方发送的历史数据都被收到（除了最新的那条），这种可靠性是100%的。

2.序号/确认序号-如何保证报文按序到达

当client给server发送多个报文的时候（1,2,3,4,5,），server端针对每个报文，给出5个应答响应。client收到响应后，知道自己的报文被server收到了
但是，client如何确保server是否是按照1,2,3,4,5的顺序收到了呢？（毕竟网络的环境是很复杂的，可能发1的时候慢一点，5快一点）
tcp的可靠性除了保证对方能收到，同时也要保证按序到达。

32位序号的作用就是保证按序到达，给每个报文按发送顺序编号，这样收到以后根据序号排序即可。

那server对client发送的报文进行应答的时候，发送给client 5个应答，那client如何知道这5个应答分别对应client发送的哪个报文呢？

使用确认序号，tcp报头中涵盖一个叫做确认序号，是对历史确认报文的序号+1
1.比如server要进行应答，应答的时候确认序号为13，表示1-12的数据报都已经收到了。（这也就是为什么确认序号是序号+1，这样client收到以后就直接从确认序号对应的报文开始发送），此时client发现确认序号为13，下次发送请从13号报文开始发送
2.即client收到确认应答tcp报文之后，可以通过确认序号，来辨别是对哪一个报文的确认

3.为什么要两个序号

我在了解这块只是的时候有个疑问，为什么报文中需要有两个序号，每次传递实际上只用到了一个序号啊（发送的时候填序号，应答的时候填确认序号）

后来查阅资料得到结论：tcp是全双工的通信协议，就是我在给你发的时候，你也在给我发。（因为我们前面考虑的情况只是client给server发送数据，是单方向的，所以自然只需要使用一个序号）

双方通信的时候，一个报文，既可以携带要发送的数据，也可能携带对历史报文的确认

client给server发送消息，server给client应答的时候，除了填上确认序号表示收到client发送的确认序号之前的所有报文，还要发送一些数据给client，比如我收到了，那你要这样处理等等，这时候携带了数据，为了保证client端收到数据的有序性，那就要填上序号了。
这就是一种全双工的通信。（我在给你发的时候，你也在给我发）

结论：当一个报文中既要携带数据，又要携带对历史报文的确认的时候，报文中就同时需要序号和确认序号。

序号用来保证当前携带数据能够按序被对方接受（收到后排序）；
确认序号用来告诉对方，收到了对方当前确认序号之前的所有报文。

四.16位窗口大小-调整发送策略

首先我们来了解一下tcp的发送缓冲区和接收缓冲区。
1.TCP有自己的发送和接收缓冲区，就是两段内存空间。
2.TCP属于传输层，和应用层之间隔着一层系统调用。
当我们在应用层调用write，send进行网络通信的时候，与其说是发送数据的函数，不如理解为拷贝函数，这两个函数并不是将数据直接发送到网络上，而是把数据拷贝到TCP的发送缓冲区。
当我们调用read或者recv的时候，也是去接收缓冲区里面读取数据的。

注意：UDP没有发送缓冲区，write和send直接把数据交给内核，由内核把数据交给网络层传输；TCP有发送缓冲区，write和send是把数据拷贝到TCP的发送缓冲区，然后根据TCP的发送策略对数据进行发送。

那么我们为什么要这样一个缓冲区呢？
1.因为我们调用write将数据发送到网络中，实际上是使用了网卡，是一个外设，是一种IO，相当于我们把数据从内存刷新到了外设/磁盘，IO都是比较慢的，如果没有缓冲区，应用层调用write的时候可能会因为IO阻塞住（用网络传输数据也是IO）。如果有缓冲区，应用层就只需要把数据往发送缓冲区里面拷贝就可以了，可以减少阻塞，提高应用层的效率。

2.只有OS的 TCP协议可以知道网络，乃至对方的网络状态明细，所以，也有只有TCP协议，能处理如何发，什么时候发，发多少，出错了怎么办等细节问题。应用层只需要把数据交给我传输层就行，具体什么时候发，发多少，出错了怎么办等细节问题交给我传输层来控制，tcp协议也因此得名-传输控制协议（Transmission Control Protocol）因为缓冲区的存在，所以可以做到应用层和TCP进行解耦!（你应用层拷贝你的，我传输层传输我的）

因此我们可以得出结论：1.提高应用层效率；2.将应用层和TCP进行解耦。

16位窗口大小的作用
采用tcp协议，当发送方给接收方发送报文的时候，如果没有任何控制或者策略，可能会导致接收方的接收缓冲区满了，导致报文丢失。虽然有超时重传的机制，但是高低还是浪费了网络资源。
接收方收到报文后，要进行应答。可以在应答报文中，填上自己接收缓冲区的剩余空间大小（在传输层），这个数就填在16位窗口大小中。
这样子发送方就可以知道当前接收方缓冲区的剩余空间大小，根据接收方的接收能力动态调整发送策略。

流量控制：让发送方发送数据处于一个合理的速度（不要太快也不要太慢）

五.6个标志位

首先我们要知道为什么要有这6个标志位，server可能在任何一个时刻，都有可能有成百上千个报文再向server发送数据。面对大量的TCP报文，对不同类型的报文要进行不同的处理，如何区分各个报文的类别？——六个标志位，每个标志位是一个比特位，要不是1要不是0

1.ACK（acknowledgement）：表明当前报文是确认报文，确认序号为之前收到报文的序号+1，是用于对之前的报文做确认的。几乎在所有的TCP通信过程中，ACK都会被设置。（简单说就是当前的确认序号是有效的）

2.SYN（synchronous）：同步标志位，也叫作建立连接请求的标志位，表示当前报文是申请建立连接的。发送方发送SYN，表示要与接收方建立连接。（详情见下方三次握手大致流程的第1点）

3.RST（reset）：用于重置异常链接的。告诉对方链接失败了，让对方关闭当前连接，重新连接（比如发送方认为链接建立成功，接收方并没有确认链接建立成功，此时发送方发送数据给接收方，接收方就发送一个RST报文，表示当前链接异常，让发送方重置链接，就是关闭当前链接，重新尝试链接）----（详见下方（6）-2））

4.PSH（push）：用于催促对方的应用程序赶紧把数据从TCP接收缓冲区中读走。（发送方根据接收方返回的报文的窗口大小得知，接收方的tcp接收缓冲区快满了，于是发送一个PSH报文，让接收方上层的应用程序赶紧从tcp接收缓冲区中读取数据）
并不是说PSH一次，对方就会马上读，如果读的太频繁，会导致一些不必要的系统开销，而且有些数据不是想读就可以读的，OS还是希望让应用程序一次读一批数据，PSH只是通知应用程序赶紧可以读了。

5.URG（urgent）：因为TCP能保证报文按序到达，每一个报文，什么时候被上层读取到基本是确定的。如果想让一个数据尽快的被上层读到，可以设置URG为1，表明该报文中携带了紧急数据，需要被优先处理（URG为1）。
紧急数据存放在tcp携带的数据中，具体是哪一部分由tcp报头中的16位紧急指针来指出。这个紧急指针只能传输1个字节的数据。
如何使用？send/recv函数中有一个flag，可以设置为MSG_OOB，表示读取紧急指针，此时会优先读取紧急数据。（也称为带外数据）
6.FIN（finish）：表示请求与对方断开连接