TCP报文结构和长短连接

参考博文：

https://www.cnblogs.com/onlysun/p/4520553.html

https://blog.csdn.net/zxy987872674/article/details/52653101

一、报文结构介绍

　　在开始讲TCP连接过程时，还是先看看TCP报文的格式如图1所示。IP数据报此时由IP头部+TCP头部+TCP数据组成。不带选项的TCP头部是20字节长，而带选项的，TCP头部最长可达60字节。常见的选项包括最大的大小（MSS），时间戳（传输控制时使用）、窗口缩放（流量控制时使用）、选择性ACK（传输控制时使用）。我们来具体看下TCP头部字段如图2所示。

图1 IP数据报中TCP封装

　　图2所示的即是TCP头部的详细结构。源端口与目的端口和源IP及目的IP这四元组唯一标识每个TCP连接。序列号（Sequence Number）字段标识TCP的一端到另一端的数据流的第一个开始字节（例如发送端发送的数据总字节长度为1000字节，假定序列号从1开始，总的序列号是1-1000，TCP会给每个字节赋予一个序列号）。通过序列号来代表发送端到接收端的数据，接收端接收到数据后，即可通过确认号（ACK）来发送给发送端，让发送端知道数据已被接受。这个ACK号是由接收到的数据的序列号加1，代表接收端希望接收的下一个数据的序列号。（注：ACK是不占用序列号的，原因是接收端发送ACK给发送端后，发送端的ISN是等于此时接收到的ACK号）。

经典的三次握手示意图： 

经典的四次挥手图： 

长连接：

所谓长连接，指在一个TCP连接上可以连续发送多个数据包，在TCP连接保持期间，如果没有数据包发送，需要双方发检测包以维持此连接，一般需要自己做在线维持（不发生RST包和四次挥手）。

      连接→数据传输→保持连接(心跳)→数据传输→保持连接(心跳)→……→关闭连接（一个TCP连接通道多个读写通信）； 
      这就要求长连接在没有数据通信时，定时发送数据包(心跳)，以维持连接状态；

TCP保活功能，保活功能主要为服务器应用提供，服务器应用希望知道客户主机是否崩溃，从而可以代表客户使用资源。如果客户已经消失，使得服务器上保留一个半开放的连接，而服务器又在等待来自客户端的数据，则服务器将应远等待客户端的数据，保活功能就是试图在服务器端检测到这种半开放的连接。

如果一个给定的连接在两小时内没有任何的动作，则服务器就向客户发一个探测报文段，客户主机必须处于以下4个状态之一：

1. 客户主机依然正常运行，并从服务器可达。客户的TCP响应正常，而服务器也知道对方是正常的，服务器在两小时后将保活定时器复位。
2. 客户主机已经崩溃，并且关闭或者正在重新启动。在任何一种情况下，客户的TCP都没有响应。服务端将不能收到对探测的响应，并在75秒后超时。服务器总共发送10个这样的探测 ，每个间隔75秒。如果服务器没有收到一个响应，它就认为客户主机已经关闭并终止连接。
3. 客户主机崩溃并已经重新启动。服务器将收到一个对其保活探测的响应，这个响应是一个复位，使得服务器终止这个连接。
4. 客户机正常运行，但是服务器不可达，这种情况与2类似，TCP能发现的就是没有收到探查的响应。

短连接：

短连接是指通信双方有数据交互时，就建立一个TCP连接，数据发送完成后，则断开此TCP连接（管理起来比较简单，存在的连接都是有用的连接，不需要额外的控制手段）；

连接→数据传输→关闭连接；

应用场景：

长连接多用于操作频繁（读写），点对点的通讯，而且连接数不能太多情况，。每个TCP连接都需要三步握手，这需要时间，如果每个操作都是先连接，再操作的话那么处理速度会降低很多，所以每个操作完后都不断开，次处理时直接发送数据包就OK了，不用建立TCP连接。例如：数据库的连接用长连接， 如果用短连接频繁的通信会造成socket错误，而且频繁的socket 创建也是对资源的浪费。

而像WEB网站的http服务一般都用短链接（http1.0只支持短连接，1.1keep alive 带时间，操作次数限制的长连接），因为长连接对于服务端来说会耗费一定的资源，而像WEB网站这么频繁的成千上万甚至上亿客户端的连接用短连接会更省一些资源，如果用长连接，而且同时有成千上万的用户，如果每个用户都占用一个连接的话，那可想而知吧。所以并发量大，但每个用户无需频繁操作情况下需用短连好；

在长连接中一般是没有条件能够判断读写什么时候结束，所以必须要加长度报文头。读函数先是读取报文头的长度，再根据这个长度去读相应长度的报文。