TCP之连接的建立和终止

1. 连接的建立

TCP 连接建立的三次握手

如上图所示，TCP 连接的建立会发生如下述情形：

1. 服务器必须准备好接受外来的连接。这通常通过调用 socket、bind 和 listen 这 3 个函数来完成，我们称之为被动打开（passive open）。
2. 客户通过调用 connect 发起主动打开（active open）。这导致客户 TCP 发送一个 SYN（同步）分节，它告诉服务器客户端将在（待建立的）连接中发送的数据的初始序列号。通常 SYN 分节不携带数据，其所在的 IP 数据报只含有一个 IP 首部、一个 TCP 首部及可能有的 TCP 选项。
3. 服务器必须确认（ACK）客户的 SYN，同时自己也得发送一个 SYN 分节，它含有服务器将在同一连接中发送的数据的初始序列号。服务器在单个分节中发送 SYN 和对客户 SYN 的 ACK（确认）。
4. 客户必须确认服务器的 SYN。

TCP 连接的建立至少需要 3 个分组，因此称之为 TCP 的三次握手（threee-way handshake）。

1.1 TCP 选项

TCP 选项即 TCP 首部中的可选字段。每一个 SYN 可以含有多个 TCP 选项。下面是常用的 TCP 选项。

TCP 选项的格式如下图:

• 每个选项的开始是 1 字节的 kind 字段，说明选项的类型。kind 字段为 0 和 1 的选项仅占 1 个字节。其他的选项在 kind 字节后还有 len 字节。它说明的长度是指总长度，包括 kind 和 len 字节。
• 设置无操作选项的原因在于允许发送方填充字段为 4 字节的倍数。

MSS 选项

发送 SYN 的 TCP 一端使用本选项通告对端它的最大分节大小（Maximum Segment Size）即 MSS，也就是它在本连接的每个 TCP 分节中愿意接受的最大数据量。发送端 TCP 使用接收端的 MSS 值作为所发送分节的最大大小。TCP_MAXSEG 套接字选项可以提取和设置这个 TCP 选项。

窗口规模选项

TCP 连接任何一端能够通告对端的最大窗口大小是 65535，因为在 TCP 首部中 窗口大小 的字段占 16bit。然而当今因特网上业已普及的高速网络连接或长延迟路径（卫星链路）要求有更大的窗口以获得尽可能大的吞吐量。这个新选项指定 TCP 首部中的通告窗口必须扩大（即左移）的位数（0~14），因此所提供的最大窗口接近 1GB（65535 * 2^14）。在一个 TCP 连接上使用窗口规模的前提是它的两个端系统必须都支持这个选项。可以使用 SO_RCVBUF 套接字选项影响这个 TCP 选项。

注：客户端的 TCP 可以作为主动打开的部分内容随它的 SYN 发送该选项，但是只在对端也随它的 SYN 发送该选项的前提下，它才能扩大自己窗口的规模。类似的，服务器的 TCP 只有接收到随客户端的 SYN 到达的该选项时，才能发送该选项。

时间戳选项

这个选项对于高速网络连接是必要的，它可以防止由失而复现的分组可能造成的数据损坏。它是一个较新的选项，也以类似于窗口规模选项的方式协商处理。作为网络编程人员，无需考虑这个选项。

1.2 三次握手抓包图示

C: SYN J

S: SYN K, ACK J+1

C: ACK K+1

2. 连接的终止

TCP 连接终止的四次挥手

1. 某个应用进程首先调用 close，称该端执行主动关闭（active close）。该端的 TCP 于是发送一个 FIN 分节，表示数据发送完毕。
2. 接收到这个 FIN 的对端执行被动关闭（passive close）。这个 FIN 由 TCP 确认。它的接收也作为一个文件结束符（end-of-file）传递给接收端应用进程（放在已排队等候该应用进程接收的任何其他数据之后），因为 FIN 的接收意味着接收端应用进程在相应连接上再无额外数据可接收。
3. 一段时间后，接收到这个文件结束符的应用进程将调用 close 关闭它的套接字。这导致它的 TCP 也发送一个 FIN。
4. 接收这个最终 FIN 的原始发送端 TCP（即执行主动关闭的那一端）确认这个 FIN。

2.1 四次挥手抓包图示

假设是服务器先执行 close，抓到的包如下所示。

S：FIN M

C: ACK M + 1

C: FIN N

S: ACK N + 1