【修真院java小课堂】什么是tcp/ip协议？TCP的三次握手指的是什么，为什么一定要三次握手，而不是四次或者是两次？

  大家好，我是IT修真院成都分院第16期的学员何佳欢，一枚正直纯洁善良的java程序员，今天给大家分享一下，修真院官网java（职业）任务二，深度思考中的知识点——什么是tcp/ip协议？TCP的三次握手指的是什么，为什么一定要三次握手，而不是四次或者是两次？

（1）背景介绍：

TCP/IP

    互联网协议（Internet Protocol Suite）是一个网络通信模型，以及一整个网络传输协议家族，为互联网的基础通信架构。它常被通称为TCP/IP协议族（英语：TCP/IP Protocol Suite，或TCP/IP Protocols），简称TCP/IP。因为该协议家族的两个核心协议：TCP（传输控制协议）和IP（网际协议），为该家族中最早通过的标准。由于在网络通讯协议普遍采用分层的结构，当多个层次的协议共同工作时，类似计算机科学中的堆栈，因此又被称为TCP/IP协议栈（英语：TCP/IP Protocol Stack） 。这些协议最早发源于美国国防部（缩写为DoD）的ARPA网项目，因此也被称作DoD模型（DoD Model）。这个协议族由互联网工程任务组负责维护。

TCP/IP网络模型

应用层:

向用户提供一组常用的应用程序，比如电子邮件、文件传输访问、远程登录等。远程登录TELNET使用TELNET协议提供在网络其它主机上注册的接口。TELNET会话提供了基于字符的虚拟终端。文件传输访问FTP使用FTP协议来提供网络内机器间的文件拷贝功能。

传输层:

提供应用程序间的通信。其功能包括：一、格式化信息流；二、提供可靠传输。为实现后者，传输层协议规定接收端必须发回确认，并且假如分组丢失，必须重新发送。

网络层 ：

负责相邻计算机之间的通信。其功能包括三方面。

一、处理来自传输层的分组发送请求，收到请求后，将分组装入IP数据报，填充报头，选择去往信宿机的路径，然后将数据报发往适当的网络接口。

二、处理输入数据报：首先检查其合法性，然后进行寻径--假如该数据报已到达信宿机，则去掉报头，将剩下部分交给适当的传输协议；假如该数据报尚未到达信宿，则转发该数据报。

三、处理路径、流控、拥塞等问题。

网络接口层：

这是TCP/IP软件的最低层，负责接收IP数据报并通过网络发送之，或者从网络上接收物理帧，抽出IP数据报，交给IP层。

（2）知识剖析：

“传输控制协议”（TCP,Transmission-Control Protocol）和“因特网协议”（IP,Internet Protocol）即TCP/IP协议.TCP负责发现传输的问题,一有问题就发出信号,要求重新传输,直到所有数据安全正确地传输到目的地.而IP是给因特网的每一台电脑规定一个地址.TCP工作在网络OSI的七层模型中的第四层——Transport层,IP在第三层——Network层.

TCP/IP意味着TCP和IP在一起协同工作.TCP负责应用软件(比如你的浏览器)和网络软件之间的通信. IP负责计算机之间的通信.TCP负责将数据分割并装入IP包,然后在它们到达的时候重新组合它们.IP负责将包发送至接受者.

TCP数据报文

重要的几个字段:

1.Source Port(源端口号):数据发起者的端口号

2.Destination Port(目的端口号):数据接收者的端口号

3.Sequence Number(顺序号码，Seq):用于在数据通信中解决网络包乱序(reordering)问题,以保证应用层接收到的数据不会因为网络上的传输问题而乱序(TCP会用这个顺序号码来拼接数据)

4.cknowledgment Number(确认号码，ack):是数据接收方期望收到发送方在下一个报文段的顺序号码(Seq),因此确认号码应当是上次已成功收到顺序号码(Seq)加1

5.TCP Flags(TCP标志位)

标志位字段解释

URG：紧急标志。紧急标志为"1"表明该位有效。

ACK：确认标志。表明确认编号栏有效。大多数情况下该标志位是置位的。TCP报头内的确认编号栏内包含的确认编号（w+1）为下一个预期的序列编号，同时提示远端系统已经成功接收所有数据。

PSH：推标志。该标志置位时，接收端不将该数据进行队列处理，而是尽可能快地将数据转由应用处理。在处理Telnet或rlogin等交互模式的连接时，该标志总是置位的。

RST：复位标志。用于复位相应的TCP连接。

SYN：同步标志。表明同步序列编号栏有效。该标志仅在三次握手建立TCP连接时有效。它提示TCP连接的服务端检查序列编号，该序列编号为TCP连接初始端（一般是客户端）的初始序列编号。在这里，可以把TCP序列编号看作是一个范围从0到4，294，967，295的32位计数器。通过TCP连接交换的数据中每一个字节都经过序列编号。在TCP报头中的序列编号栏包括了TCP分段中第一个字节的序列编号。

FIN：结束标志。

TCP 是面向连接的传输层协议 每一条 TCP 连接只能有两个端点(endpoint),每一条 TCP 连接只能是点对点的（一对一） TCP 提供可靠交付的服务 TCP 提供全双工通信 面向字节流

TCP建立连接过程

（1）第一次握手：Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。

（2）第二次握手：Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。

（3）第三次握手：Client收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

由于TCP连接时全双工的，因此，每个方向都必须要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭，上图描述的即是如此。

（1）第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN_WAIT_1状态。

（2）第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），Server进入CLOSE_WAIT状态。

（3）第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK状态。

（4）第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。

（3）常见问题：

1.为什么一定要三次握手，而不是四次或者是两次?

2.为什么挥手的时候要四次?

（4）解决方案：

抽象为功能可用和正常,第一次握手客户端验证了自己的发送功能可用,服务端接收功能可用和正常,第二次握手客户端知道自己发送功能正常,接收功能可用和正常,服务端知道自己发送功能可用,第三次握手服务器知道自己发送功能正常,连接建立.

相比于握手的过程,挥手多了一次等待数据传输完成的过程,其他的同握手的过程,最后等待了2MSL服务端会自己关闭.

（5）编码实战：

（6）拓展思考：

UDP协议

UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）

（1） UDP是一个非连接的协议，传输数据之前源端和终端不建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。在发送端，UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽的限制；在接收端，UDP把每个消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读一个消息段。

（2） 由于传输数据不建立连接，因此也就不需要维护连接状态，包括收发状态等，因此一台服务机可同时向多个客户机传输相同的消息。

（3） UDP信息包的标题很短，只有8个字节，相对于TCP的20个字节信息包的额外开销很小。

（4） 吞吐量不受拥挤控制算法的调节，只受应用软件生成数据的速率、传输带宽、源端和终端主机性能的限制。

（5）UDP使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的链接状态表（这里面有许多参数）。

（6）UDP是面向报文的。发送方的UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付给IP层。既不拆分，也不合并，而是保留这些报文的边界，因此，应用程序需要选择合适的报文大小。

我们经常使用“ping”命令来测试两台主机之间TCP/IP通信是否正常，其实“ping”命令的原理就是向对方主机发送UDP数据包，然后对方主机确认收到数据包，如果数据包是否到达的消息及时反馈回来，那么网络就是通的。

（7）参考文献：

【1】https://www.jianshu.com/p/e7f45779008a

【2】https://www.cnblogs.com/ImBit/p/5513401.html

【3】https://blog.csdn.net/zjy900507/article/details/79303359

（8）更多讨论：

Q1：提问人：TCP三握四挥在请求的什么时候？
A1：回答人：何佳欢 回答:三次握手建立后直到关闭此次连接才会完成挥手的过程
Q2：提问人：三次握手过程还是讲的不够细致？
A2：回答人何佳欢：回答:三次握手,实际上是通过发送标志码和验证序列号完成的,SYN标志码表示请求建立,ACK码表示应答标志,客户端通过验证
Q3：提问人：UDP的应用场景和优势是什么？
A3：回答人：何佳欢 回答:UDP常用场景是在网络环境较差,数据流大的时候会采用UDP协议传输,UDP类似于广播一样的传输,只管发送,不管有没有接收到,所以一般在直播平台应用广泛,甚至在斗鱼采用的是STUN协议,是一种基于UDP协议的NAT穿透

（9）鸣谢：

感谢绍博师兄，赵立鼐师兄此教程是在他们之前技术分享的基础上完善而成。

（10）结束语：

今天的分享就到这里啦，欢迎大家点赞、转发、留言、拍砖~