读 TCP 协议 RFC-793
Harttle
TCP被作为一种运行在分组交换网络（以及它们的互联系统）上的高可靠的主机到主机协议。TCP是面向连接的、端到端的通用协议，却对下层协议的假设甚少（可以是多网络环境，只要求一个不可靠的报文服务），一般用于互联网上不同主机的进程间通信。 现行协议版本被IETF标准化为RFC-793。
虽然TCP主要运行在互联网的IP协议层之上，但原则上，TCP能够在多种通信系统上进行操作，从硬连线连接到分组交换或电路交换系统。
概述
互联网系统元素
Internet环境由连接在通过网关互联的网络上的主机组成。为了在不同主机的进程间通信，网络上运行着多层的协议。
分组 是主机以及它所在网络上一次交换的数据。 主机 是连在网络上的计算机，是分组的源和目标。 进程 是主机上的活跃元素。
一个进程可能需要独立的多个连接，于是每个进程可以有多个端口来和其他进程通信。
操作模型
进程通过调用TCP（以数据缓存作为参数）进行数据传输。TCP将数据打包为片段（segment），调用互联网模块传输给目标TCP。接收方TCP将每个片段放在接收用户的缓存中，然后提示用户。
TCP在片段中包括控制信息，被用来确保传输数据的顺序。
每个TCP模块关联着一个提供本地网络接口的IP模块，该模块将TCP片段打包成IP数据包，并将其路由到目标IP模块或中间网关。为了在本地网络中传输该数据报，它又被嵌入到本地网络分组中。 分组交换继续做打包、分段等其他操作来递送本地网络分组给目标IP模块。
在网络间的网关上，打开本地网络分组，得到IP数据报。然后决定接下来应该发送该数据报到那个网络。此后，该数据报被打包进适合下一个本地网络的本地网络分组，路由给下一网关或最终目标。
网关可以根据需要将IP数据报切分成较小的数据报片段。切分后的片段也可能被再次切分。根据IP数据报分片的格式的设计，目标IP模块可以将分片组装为IP数据报。
目标IP模块将数据报（如果需要，先进行组装）中的数据拿出来，传送给目标TCP模块。
简单的模型中仍有很多的细节，比如服务类型。它为网关选择下一个网络的服务参数提供了信息。服务类型包括数据报的优先级，或者安全信息。这些允许主机和网关根据安全考虑，进行多安全层次的操作来分离数据报。
连接
TCP连接用一对socket来标识，且TCP连接可以向两个方向传送数据，即TCP是全双工的。同时每个端口可以任意绑定一个进程，进程只能对属于自己的端口进行初始化。
每个数据流都需要维护一些状态信息。这些信息（包括socket、序列号、窗口大小）组成一个连接。一个连接用一组socket标识。
通信之前，双方应该建立一个连接。结束通信后连接被终止或关闭，释放的资源可供他用。
为了在不可靠的Internet上建立连接和避免错误的连接初始化，TCP采用了握手机制和基于时钟的序列号。
接口
TCP应作为操作系统的一个模块。其用户接口包括OPEN,CLOSE,SEND,RECEIVE,STATUS。这些调用就像是文件调用一样：打开、读、关闭。TCP通过IP来间接调用本地网络接口，TCP接口提供了发送（或接收）数据报给任何互联网中TCP地址的调用。
优先级与安全性
使用TCP的用户可能会指定优先级和安全性。当这些特性未被使用时，应提供默认值。
操作
TCP允许的操作包括以下几个方面：
基本数据传输
TCP能够在两个方向上传输连续的字节流，通常会把一些字节打包成片段，然后交给互联网系统进行传输。
通常TCP可以根据自己的方便，进行阻塞和转发。因此需要提供PUSH操作，以免用户需要立即发送。该操作会导致TCP立即转发数据，但这个过程对接收方应是不可见的。
可靠性
TCP能够从传输错误中恢复，除非互联网完全断开。传输错误包括：损坏、丢失、重复、乱序。
为了实现这个目的，每个传输的字节都被标记一个序列号（SEQ)，同时接收方应提供确认号（ACK）。如果确认号超时，则重发数据。在接受端，序列号用来重新排列乱序或重复的片段。数据损坏用一个校验值来处理，在接收端抛弃损坏的片段。
流控制
TCP提供了一种手段来管理发送者发送的数据量。接收者发送一个“窗口”（接下来期望接受的字节范围）给发送者，发送者在接收到进一步允许前只能发送这些字节。
多路复用
为了允许同一主机的不同进程同时使用TCP设施，TCP提供了一组端口，加上互联网通信层地址（IP），组成一个socket。一对socket唯一地标识了一个TCP连接。 而一个进程可以绑定到端口来监听网络。为了方便，将常用进程绑定到公开的确定端口。这样就可以通过公共地址来访问服务了。
对于其他非公开确定的端口，建立连接涉及到更多的动态机制。
TCP头
在传送的片段中，TCP头的位置紧接着IP头，其中提供了TCP协议规定的必要信息：
0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Source Port | Destination Port |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Sequence Number |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Acknowledgment Number |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Data | |U|A|P|R|S|F| |
| Offset| Reserved |R|C|S|S|Y|I| Window |
| | |G|K|H|T|N|N| |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Checksum | Urgent Pointer |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Options | Padding |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| data |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
字段说明：
Source/Destination Port：源与目标端口。Sequence Number：该片段中第一个数据字节的序列号。如果SYN是1，则该序列号成为初始序列号（ISN），第一个数据字节为ISN+1。Acknowledgment Number：如果ACK是1，该字段包含期望收到的下一个序列号。Data Offset：TCP头的长度，也就是数据的起始位置。单位为32位字。Reserved：保留字段，必须为0。Conrol Bits：URG：Urgent Pointer字段起作用。ACK：Acknowledgment字段起作用。PSH：PUSH功能。RST：重置连接。SYN：同步序列号。FIN：别再发送了。
Window：期望接收的字节长度，从Acknowledgment开始。Checksum：头和数据中所有16位字的反码和的反码。如果是奇数字节，最后字节后补零。计算该字段时，该字段值为0。该校验和还包含了伪头部，它包含IP地址，用来防止路由错误。Urgent Pointer：当前紧急数据的开始位置，从序列号算起。Options：该字段位于TCP头的末尾，可以有多个整字节。可以包括选项类型、选项长度、选项数据。Padding：值为0的补白，确保TCP头长度为32位的整数倍。
TCP状态
一个TCP连接在整个生命周期内可能处在不同的状态，包括：
LISTEN：等待任何远程TCP的连接请求。SYN-SENT：发送连接请求后，等待匹配连接请求。SYN-RECEIVED：收到并发送一个连接请求后，等待连接请求确认。ESTABLISHED：一个打开的连接，收到的数据可以递交给用户，正常的数据传输状态。FIN-WAIT-1：等待远程TCP的终止请求，或等待终止请求的确认。FIN-WAIT-2：等待远程TCP的终止请求。CLOSE-WAIT：等待本地用户的连接终止请求。CLOSING：等待远程TCP的终止请求确认。LAST-ACK：等待远程TCP终止请求的确认，之前发送的终止请求包含终止请求的确认。TIME-WAIT：等待足够的时间，确保远程TCP收到了终止请求的确认。CLOSED：没有任何连接状态。
建立连接
使用OPEN调用来声明一个连接，同时提供本地端口、远程socket参数、以及被动等待还是主动连接。此时TCP会提供一个名称（关联着传输控制块，TCB，来存储该连接的变量的数据结构）用于后续调用。两个进程如果同时发起主动连接，它们也会正确地建立连接。这种灵活性在分布式系统中至关重要。
本地被动连接可以指定远程socket，也可以不指定。后者将会接受所有的远程socket。
建立连接采用三步握手过程，一般是一方初始化请求，另一方响应该请求。以下是一个简单的建立连接过程：
TCP A TCP B
1. CLOSED LISTEN
2. SYN-SENT --> <SEQ=100><CTL=SYN> --> SYN-RECEIVED
3. ESTABLISHED <-- <SEQ=300><ACK=101><CTL=SYN,ACK> <-- SYN-RECEIVED
4. ESTABLISHED --> <SEQ=101><ACK=301><CTL=ACK> --> ESTABLISHED
5. ESTABLISHED --> <SEQ=101><ACK=301><CTL=ACK><DATA> --> ESTABLISHED
注意第5行，此时发送了一些数据，而
SEQ值没有变，因为ACK报文不占用序列号空间（不同于数据和SYN）。否则我们将需要确认ACK。
对于同时发起连接，将会稍微复杂一些：
TCP A TCP B
1. CLOSED CLOSED
2. SYN-SENT --> <SEQ=100><CTL=SYN> ...
3. SYN-RECEIVED <-- <SEQ=300><CTL=SYN> <-- SYN-SENT
4. ... <SEQ=100><CTL=SYN> --> SYN-RECEIVED
5. SYN-RECEIVED --> <SEQ=100><ACK=301><CTL=SYN,ACK> ...
6. ESTABLISHED <-- <SEQ=300><ACK=101><CTL=SYN,ACK> <-- SYN-RECEIVED
7. ... <SEQ=101><ACK=301><CTL=ACK> --> ESTABLISHED
三路握手过程可以从旧的重复SYN中恢复，要用到RST字段：
TCP A TCP B
1. CLOSED LISTEN
2. SYN-SENT --> <SEQ=100><CTL=SYN> ...
3. (duplicate) ... <SEQ=90><CTL=SYN> --> SYN-RECEIVED
4. SYN-SENT <-- <SEQ=300><ACK=91><CTL=SYN,ACK> <-- SYN-RECEIVED
5. SYN-SENT --> <SEQ=91><CTL=RST> --> LISTEN
6. ... <SEQ=100><CTL=SYN> --> SYN-RECEIVED
7. SYN-SENT <-- <SEQ=400><ACK=101><CTL=SYN,ACK> <-- SYN-RECEIVED
8. ESTABLISHED --> <SEQ=101><ACK=401><CTL=ACK> --> ESTABLISHED
注意，第3行是旧的重复
SYN，接收方在不知情的情况下仍然确认了该SYN。此时，发送方应重置该SYN（地5行）。然后继续新的连接。
另外一种情况是一方因故关闭，造成半开的连接。TCP的策略是发现这种情况并关闭该连接后重新由关闭方发起连接。
TCP A TCP B
1. (CRASH) (send 300,receive 100)
2. CLOSED ESTABLISHED
3. SYN-SENT --> <SEQ=400><CTL=SYN> --> (??)
4. (!!) <-- <SEQ=300><ACK=100><CTL=ACK> <-- ESTABLISHED
5. SYN-SENT --> <SEQ=100><CTL=RST> --> (Abort!!)
6. SYN-SENT CLOSED
7. SYN-SENT --> <SEQ=400><CTL=SYN> -->
注意，接收到
RST后首先进行验证（RST的SEQ必须在窗口内），然后进行重置。
关闭连接
TCP是全双工的，CLOSE操作却是单工的方式：CLOSE之后不再发送数据，但仍然可以继续接收数据直到远程TCP关闭。即CLOSE意味着：我没有要发送的数据了。
对于一方首先关闭连接的情况：
TCP A TCP B
1. ESTABLISHED ESTABLISHED
2. (Close)
FIN-WAIT-1 --> <SEQ=100><ACK=300><CTL=FIN,ACK> --> CLOSE-WAIT
3. FIN-WAIT-2 <-- <SEQ=300><ACK=101><CTL=ACK> <-- CLOSE-WAIT
4. (Close)
TIME-WAIT <-- <SEQ=300><ACK=101><CTL=FIN,ACK> <-- LAST-ACK
5. TIME-WAIT --> <SEQ=101><ACK=301><CTL=ACK> --> CLOSED
6. (2 MSL)
CLOSED
对于双方同时关闭连接的情况：
TCP A TCP B
1. ESTABLISHED ESTABLISHED
2. (Close) (Close)
FIN-WAIT-1 --> <SEQ=100><ACK=300><CTL=FIN,ACK> ... FIN-WAIT-1
<-- <SEQ=300><ACK=100><CTL=FIN,ACK> <--
... <SEQ=100><ACK=300><CTL=FIN,ACK> -->
3. CLOSING --> <SEQ=101><ACK=301><CTL=ACK> ... CLOSING
<-- <SEQ=301><ACK=101><CTL=ACK> <--
... <SEQ=101><ACK=301><CTL=ACK> -->
4. TIME-WAIT TIME-WAIT
(2 MSL) (2 MSL)
CLOSED CLOSED
MSL: Maximum Segment Lifetime, the time a TCP segment can exist in the internetwork system. Arbitrarily defined to be 2 minutes.
参考：RFC-793
本文采用 知识共享署名 4.0 国际许可协议（CC-BY 4.0）进行许可，转载注明来源即可： https://harttle.land/2014/09/27/tcp.html。如有疏漏、谬误、侵权请通过评论或 邮件 指出。
