预备知识

TCP 头格式

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截图来源

TCP的包是没有IP地址的，那是IP层上的事。但是有源端口和目标端口。
一个TCP连接需要四个元组来表示是同一个连接（src_ip, src_port, dst_ip, dst_port）准确说是五元组，还有一个是协议。但因为这里只是说TCP协议，所以，这里我只说四元组。

注意上图中的四个非常重要的东西：

• Sequence Number是包的序号，用来解决网络包乱序（reordering）问题。
• Acknowledgement Number就是ACK——用于确认收到，用来解决不丢包的问题。
• Window又叫Advertised-Window，也就是著名的滑动窗口（Sliding Window），用于解决流控的。
• TCP Flag ，也就是包的类型，主要是用于操控TCP的状态机的。

TCP 特点

• 三次握手
• 四次挥手
• 可靠连接
• 丢包重传
• TCP连接状态

TCP的一个核心是：可靠传输协议。

三次握手

• 第一步：client 发送 syn 到server 发起握手；
• 第二步：server 收到 syn后回复syn+ack给client；
• 第三步：client 收到syn+ack后，回复server一个ack表示收到了server的syn+ack。

ack总是seq+len（包的大小），这样发送方明确知道server收到那些东西了，但是特例是三次握手和四次挥手，虽然len都是0，但是syn和fin都要占用一个seq号，所以这里的ack都是seq+1。

tcp在传输过程中都有一个ack，接收方通过ack告诉发送方收到那些包了。这样发送方能知道有没有丢包，进而确定重传

• 关于ISN的初始化。ISN是不能hard code的，不然会出问题的——比如：如果连接建好后始终用1来做ISN，如果client发了30个segment过去，但是网络断了，于是 client重连，又用了1做ISN，但是之前连接的那些包到了，于是就被当成了新连接的包，此时，client的Sequence Number 可能是3，而Server端认为client端的这个号是30了。全乱了。RFC793中说，ISN会和一个假的时钟绑在一起，这个时钟会在每4微秒对ISN做加一操作，直到超过2^32，又从0开始。这样，一个ISN的周期大约是4.55个小时。因为，我们假设我们的TCP Segment在网络上的存活时间不会超过Maximum Segment Lifetime（缩写为MSL - Wikipedia语条），所以，只要MSL的值小于4.55小时，那么，我们就不会重用到ISN。

• 关于建连接时SYN超时。试想一下，如果server端接到了clien发的SYN后回了SYN-ACK后client掉线了，server端没有收到client回来的ACK，那么，这个连接处于一个中间状态，即没成功，也没失败。于是，server端如果在一定时间内没有收到的TCP会重发SYN-ACK。在Linux下，默认重试次数为5次，重试的间隔时间从1s开始每次都翻售，5次的重试时间间隔为1s, 2s, 4s, 8s, 16s，总共31s，第5次发出后还要等32s都知道第5次也超时了，所以，总共需要 1s + 2s + 4s+ 8s+ 16s + 32s = 2^6 -1 = 63s，TCP才会把断开这个连接。

当len 不为0 时候，Client 和Server是这样保证数据传输的。

Seq的增加是和传输的字节数相关的。上图中，三次握手后，先来了一个len:43的包，Server返回的ack=seq(Client):1000 + len:43 = 1043。表示服务器收到第一个数据包。TCP依靠Seq 和Ack ，保障了TCP传输数据包的完整性。

四次挥手

因为TCP是全双工的，所以，发送方和接收方都需要Fin和Ack。 �简单说来是 “先关读，后关写”，一共需要四个阶段。以CLIENT发起关闭连接为例：

• 服务器读通道关闭� ： client主动发送Fin包给server
• 客户机写通道关闭� ： server回复Ack（对应第一步fin包的ack）给client，表示server知道client要断开了
• 客户机读通道关闭� ： server发送Fin包给client，表示server也可以断开了
• 服务器写通道关闭 ：client回复Ack给server。

丢包重传

重传这部分完全摘抄自TCP 的那些事儿（上） ，总结实在太好了！

TCP要保证所有的数据包都可以到达，所以，必需要有重传机制。
注意，接收端给发送端的Ack确认只会确认最后一个连续的包，比如，发送端发了1,2,3,4,5一共五份数据，接收端收到了1，2，于是回ack 3，然后收到了4（注意此时3没收到），此时的TCP会怎么办？我们要知道，因为正如前面所说的，SeqNum和Ack是以字节数为单位，所以ack的时候，不能跳着确认，只能确认最大的连续收到的包，不然，发送端就以为之前的都收到了。

超时重传机制
一种是不回ack，死等3，当发送方发现收不到3的ack超时后，会重传3。一旦接收方收到3后，会ack 回 4——意味着3和4都收到了。
但是，这种方式会有比较严重的问题，那就是因为要死等3，所以会导致4和5即便已经收到了，而发送方也完全不知道发生了什么事，因为没有收到Ack，所以，发送方可能会悲观地认为也丢了，所以有可能也会导致4和5的重传。
对此有两种选择：

• 一种是仅重传timeout的包。也就是第3份数据。
• 另一种是重传timeout后所有的数据，也就是第3，4，5这三份数据。

*这两种方式有好也有不好。第一种会节省带宽，但是慢，第二种会快一点，但是会浪费带宽，也可能会有无用功。但总体来说都不好。因为都在等timeout，timeout可能会很长（在下篇会说TCP是怎么动态地计算出timeout的）
快速重传机制

Fast Retransmit

于是，TCP引入了一种叫Fast Retransmit 的算法，不以时间驱动，而以数据驱动重传。也就是说，如果，包没有连续到达，就ack最后那个可能被丢了的包，如果发送方连续收到3次相同的ack，就重传。Fast Retransmit的好处是不用等timeout了再重传。
比如：如果发送方发出了1，2，3，4，5份数据，第一份先到送了，于是就ack回2，结果2因为某些原因没收到，3到达了，于是还是ack回2，后面的4和5都到了，但是还是ack回2，因为2还是没有收到，于是发送端收到了三个ack=2的确认，知道了2还没有到，于是就马上重转2。然后，接收端收到了2，此时因为3，4，5都收到了，于是ack回6。示意图如下：

Fast Retransmit只解决了一个问题，就是timeout的问题，它依然面临一个艰难的选择，就是，是重传之前的一个还是重传所有的问题。对于上面的示例来说，是重传#2呢还是重传#2，#3，#4，#5呢？因为发送端并不清楚这连续的3个ack(2)是谁传回来的？也许发送端发了20份数据，是#6，#10，#20传来的呢。这样，发送端很有可能要重传从2到20的这堆数据（这就是某些TCP的实际的实现）。可见，这是一把双刃剑。

SACK 方法

另外一种更好的方式叫：Selective Acknowledgment (SACK)（参看RFC 2018），这种方式需要在TCP头里加一个SACK的东西，ACK还是Fast Retransmit的ACK，SACK则是汇报收到的数据碎版。参看下图：

注意：SACK会消费发送方的资源，试想，如果一个攻击者给数据发送方发一堆SACK的选项，这会导致发送方开始要重传甚至遍历已经发出的数据，这会消耗很多发送端的资源。详细的东西请参看《TCP SACK的性能权衡》

Duplicate SACK – 重复收到数据的问题
Duplicate SACK又称D-SACK，其主要使用了SACK来告诉发送方有哪些数据被重复接收了。RFC-2883 里有详细描述和示例。下面举几个例子（来源于RFC-2883）
D-SACK使用了SACK的第一个段来做标志，
如果SACK的第一个段的范围被ACK所覆盖，那么就是D-SACK

如果SACK的第一个段的范围被SACK的第二个段覆盖，那么就是D-SACK

示例一：ACK丢包
下面的示例中，丢了两个ACK，所以，发送端重传了第一个数据包（3000-3499），于是接收端发现重复收到，于是回了一个SACK=3000-3500，因为ACK都到了4000意味着收到了4000之前的所有数据，所以这个SACK就是D-SACK——旨在告诉发送端我收到了重复的数据，而且我们的发送端还知道，数据包没有丢，丢的是ACK包。

Transmitted  Received    ACK Sent
Segment      Segment     (Including SACK Blocks)
 
3000-3499    3000-3499   3500 (ACK dropped)
3500-3999    3500-3999   4000 (ACK dropped)
3000-3499    3000-3499   4000, SACK=3000-3500

** 示例二，网络延误**
下面的示例中，网络包（1000-1499）被网络给延误了，导致发送方没有收到ACK，而后面到达的三个包触发了“Fast Retransmit算法”，所以重传，但重传时，被延误的包又到了，所以，回了一个SACK=1000-1500，因为ACK已到了3000，所以，这个SACK是D-SACK——标识收到了重复的包。
这个案例下，发送端知道之前因为“Fast Retransmit算法”触发的重传不是因为发出去的包丢了，也不是因为回应的ACK包丢了，而是因为网络延时了。

Transmitted    Received    ACK Sent
Segment        Segment     (Including SACK Blocks)
 
500-999        500-999     1000
1000-1499      (delayed)
1500-1999      1500-1999   1000, SACK=1500-2000
2000-2499      2000-2499   1000, SACK=1500-2500
2500-2999      2500-2999   1000, SACK=1500-3000
1000-1499      1000-1499   3000
1000-1499   3000, SACK=1000-1500

可见，引入了D-SACK，有这么几个好处：
1）可以让发送方知道，是发出去的包丢了，还是回来的ACK包丢了。
2）是不是自己的timeout太小了，导致重传。
3）网络上出现了先发的包后到的情况（又称reordering）
4）网络上是不是把我的数据包给复制了。
知道这些东西可以很好得帮助TCP了解网络情况，从而可以更好的做网络上的流控。

TCP连接状态

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图片来源自TCP网络关闭的状态变换时序图

建立连接

• 正常情况
  1.1 S调用listen开启监听，S的状态由CLOSED--->LISTEN。
  1.2 C调用connect发起连接，即发送SYN_1给S，C的状态由CLOSED---->SYN_SENT。

1.3 S收到SYN_1，把此连接信息放入未完成连接队列(incomplete connection queue)，回复SYN_2和ACK_1（SYN_1 + 1），S的状态由LISTEN--->SYN_RCVD
1.4 C收到ACK_1和SYN_2，回复ACK_2（SYN_2 + 1），C的状态由SYN_SEND--->ESTABLISHED。
1.5 S收到ACK_2，把此连接信息从未完成连接队列移除，并放入完成连接队列（complete connection queue），由listen函数的backlog控制完成连接队列大小。S的状态由SYN_RCVD--->ESTABLISHED。
1.6 S可以调用accept从完成连接队列获取已建立好的连接。

• 同时建立连接
  2.1 S1和S2同时发送SYN（其中S1发送SYN_1，S2发送SYN_2），S1和S2同时由LISTEN--->SYN_SENT。
  2.2 S1收到SYN_2，回复SYN_1和ACK_1（SYN_2 + 1），S1的状态由SYN_SEND--->SYN_RCVD。
  2.3 S2收到SYN_1，回复SYN_2和ACK_2（SYN_1 + 1），S2的状态由SYN_SEND--->SYN_RCVD。
  2.4 S2收到ACK_1和SYN_1，S2的状态由SYN_RCVD--->ESTABLISHED。
  2.5 S1收到ACK_2和SYN_2，S1的状态由SYN_RCVD--->ESTABLISHED。

断开连接

• 正常情况
  1.1 C调用close，发送FIN_1，C的状态由ESTABLISHED--->FIN_WAIT_1。
  1.2 S收到FIN_1，发送ACK_1（FIN_1 + 1），S的状态由ESTABLISHED--->CLOSE_WAIT。
  1.3 C收到ACK_1，C的状态由FIN_WAIT_1--->FIN_WAIT_2。
  1.4 S调用close，发送FIN_2，S的状态由CLOSE_WAIT--->LAST_ACK。
  1.5 C收到FIN_2， 发送ACK_2（FIN_2 + 1），C的状态由FIN_WAIT_2--->TIME_WAIT。
  1.6 S收到ACK_2，S状态由CLOSE_WAIT--->CLOSED。
  1.7 C经过2个MSL（Maximum Segment Lifetime），之所以要等待2个MSL，是因为S在发送FIN_2后，会等待1个MSL，如果1个MSL内未收到ACK_2，则S认为FIN_2丢包了，会重发FIN_2，S重发的FIN_2到达C最大的时间为2个MSL，因此如果C在2个MSL内未收到FIN_2，则认为S已收到ACK_2。C的状态由TIME_WAIT--->CLOSED。
• 特殊情况
  2.1 C调用close，发送FIN_1，C的状态由ESTABLISHED--->FIN_WAIT_1。
  2.2 S收到FIN_1，S调用close，发送FIN_2的同时带上ACK_1（FIN_1 + 1），S的状态由ESTABLISHED--->LAST_ACK。
  2.3 C收到FIN_2和ACK_1，发送ACK_2（FIN_2 + 1），C的状态由FIN_WAIT_1--->TIME_WAIT。
  2.4 S收到ACK_2，S状态由CLOSE_WAIT--->CLOSED。
  2.5 C经过2MSL，C的状态由TIME_WAIT--->CLOSED。
• 同时关闭
  3.1 S1和S2同时调用close，发送FIN（其中S1发送FIN_1，S2发送FIN_2），S1和S2的状态都由ESTABLISHED--->FIN_WAIT_1。
  3.2 S1收到FIN_2，发送ACK_1（FIN_2 + 1），S1的状态由FIN_WAIT_1--->CLOSING。
  3.3 S2收到FIN_1，发送ACK_2（FIN_1 + 1），S2的状态由FIN_WAIT_2--->CLOSING。
  3.4 S2收到ACK_1，S2的状态由CLOSING--->TIME_WAIT。
  3.5 S1收到ACK_2，S1状态由CLOSING--->TIME_WAIT。
  3.6 S1和S2经过2MSL，S1和S2的状态由TIME_WAIT--->CLOSED。

Ref:
TCP网络关闭的状态变换时序图
TCP 的那些事儿（上）
https://nmap.org/book/tcpip-ref.html