一、TCP連接管理概述
正如我們在之前所說TCP是一個面向連接的通信協議，因此在進行數據傳輸前一般需要先建立連接(TFO除外)，因此我們首先來介紹TCP的連接管理。
通常一次完整的TCP數據傳輸一般包含三個階段，分別是連接建立(setup)、數據傳輸(established)和連接釋放(teardown 也稱為cleared 或 terminated)。連接管理部分的主要內容則是TCP連接建立與連接釋放的方式以及TCP連接狀態(connection state)的管理，另外在建立TCP連接的過程中，在發送端和接收端會交換一些選項(option)，其中一些選項只能在建立連接的過程中進行交換，有一些則可以在隨后的數據傳輸中進行交換，因此我們也會分別簡單介紹一下這些常見的選項。
在TCP的連接建立過程中一般需要處理下面三個問題
- 要使每一方能夠確知對方的存在。
- 要允許雙方協商一些參數（如最大報文段長度，最大窗口大小，服務質量等）。
- 能夠對傳輸實體資源（如緩存大小等）進行分配
TCP建立連接最常見的方式就是通過三次握手(three-way handshake)，連接釋放最常見的方式則是四次揮手(four-way handshake或four-way wavehang)，下面我們先介紹這兩種最常見的連接管理機制。
二、三次握手
三次握手的整個過程如下圖所示，一般我們稱呼主動發起連接(Active Opener)的一端為客戶端(Client)，被動等待連接(Passive Opener)的稱為服務器端(Server)。此處我們說的客戶端和服務器端和我們在WEB開發中使用客戶端和服務器端的概念略有差異，WEB開發中一般稱呼用戶側為客戶端，后台為服務器端，但是后台的服務器端也可以主動向客戶端發起TCP連接(盡管這種場景少一些)，這個時候后台服務器也就相當於我們下圖中的客戶端了。
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下面我們介紹一下整個過程
- A和B的初始狀態都是關閉狀態，B進入LISTEN狀態后被動打開，此時B等待接收客戶端的SYN包建立連接。
- A主動打開時，A 的 TCP 向 B 發出連接請求報文段，其首部中的同步位 SYN = 1，選擇序號 seq = x，表明傳送報文時的第一個字節序號是 x，由於SYN標志在邏輯上占用一個系列號，因此實際數據傳輸的時候，TCP傳輸的數據中第一個Byte對應的系列號為x+1。這個SYN包發送以后，A則進入SYN_SENT狀態，等待B回復ACK確認包。
- B 的 TCP 收到連接請求報文段后，則發回確認。B 在確認報文段中應使 SYN = 1，使標志位 ACK = 1， 其確認號ack = x + 1，自己選擇的序號 seq = y。記得我們之前說過序列號SN實際代表傳輸了多少比特的數據凈荷，實際上在TCP的SYN包中一般並不攜帶數據，但是由於SYN包和FIN包在協議規定在邏輯上面占1個Byte，因此B在接收到這個SYN包后回復的ack=x + 1。后面我們會講到消耗系列號SN就意味着這個數據包一旦丟失可以進行重傳操作，由於SYN消耗一個byte的系列號，因此SYN數據包丟失的時候是會觸發重傳的。在B收到A的SYN包並且發送ACK確認包后，B則進入SYN_RCVD狀態。
- A 收到此報文段后向 B 給出確認，其 ACK = 1，確認號 ack = y + 1。此時A進入ESTABLISHED狀態，A 的 TCP 通知上層應用進程，連接已經建立。
- B 的 TCP 收到主機 A 的確認后，B也進入ESTABLISHED狀態，同時通知其上層應用進程當前TCP 連接已經建立。
一般來說上面用來建立連接的初始系列號ISN(即x和y)的值是隨機選取的，后面的文章會簡單介紹ISN的生成。
三、四次揮手
數據傳輸結束后，通信的雙方都可釋放連接。現在如下圖假設A 的應用進程先向其 TCP 發出連接釋放報文段，並停止發送數據，主動關閉 TCP連接。則四次揮手的過程如下圖所示
四次揮手釋放連接的流程如下
- 初始狀態下A和B都是處於ESTABLISHED狀態，當應用層沒有待發數據而指示A關閉TCP連接的時候，A 設置連接釋放報文段首部的標志位 FIN = 1，ACK=1，其序號seq = u，確認號ack=v，等待 B 的確認。此時A進入FIN_WAIT_1狀態
- B 收到A的FIN包的時候，發出確認，由於FIN包與SYN包類似都在邏輯上占1byte，因此確認號 ack = u + 1，而這個報文段自己的序號 seq = v。此時B進入CLOSE_WAIT狀態，TCP 服務器進程通知高層應用進程。
- 當A收到B的ACK確認包后，A進入FIN_WAIT_2狀態，關於這個狀態我們后續在進一步介紹。
- 若 B 已經沒有要向 A 發送的數據，其應用進程就通知 TCP 釋放連接。B 設置連接釋放報文首部的FIN=1，ACK=1，報文序列號seq=v，確認號ack=u+1。此時B進入LAST_ACK狀態。
- A 收到連接釋放報文段后，必須發出確認，在確認報文段中 ACK = 1，確認號 ack = v + 1，自己的序號 seq = u +1。 此時A進入TIME_WAIT狀態。在TIME_WAIT狀態下，A經過2MSL時間后就進入關閉狀態，關於TIME_WAIT狀態我們后續進一步介紹。
- 在B接收到A的確認包后，B立即進入關閉狀態。A和B都進入關閉狀態后整個TCP連接釋放。
四、三次揮手
在四次揮手關閉TCP連接的時候，有時會省略第二條ACK消息，只存在第一條FIN消息、第三條FIN+ACK消息以及第四條FIN消息，從上圖四次揮手的過程中可以看到其實第二條消息的ACK Number和第三條消息的ACK Number是相同的，省略第二條的時候其實是第三條消息捎帶了第二條消息的ACK，后面完整介紹TCP的狀態機的時候，會看到這種省略第二條消息的狀態消息。
五、wireshark抓包
對於上面講到的三次握手和四次揮手，通過wireshark抓包來觀察一下
其中進行連接的兩個socket(還記得我們前面章節說過一個ip地址+一個端口構成一個socket，或者叫做endpoint吧)，一個是127.0.0.1:49324，對應我們前面示意圖中的active opener和active closer，另外一個socket是127.0.0.1:9877，則對應passive opener和passive closer。注意wireshark中的系列號Seq呈現的是相對值，所以第一條消息會呈現Seq=0，實際值為0xbc069a3b。wireshark圖中[SYN, ACK]表示TCP頭中SYN標志位和ACK標志位有效，[SYN]、[FIN, ACK]等含義類似。將wireshark中SYN、FIN兩個標志位，以及系列號Seq、應答號Ack與前面的示意圖對應起來觀察一下吧。
對於三次揮手的情況，wireshark抓包如下為了使兩端的seq更容易區分，三次握手后我從client端向server端傳輸了10bytes數據，如下圖高亮的條目所示，傳輸10bytes后進行三次揮手的TCP連接終止的過程
補充說明
1.TCP連接的建立和終止可以參考RFC793協議
2.第二版<TCP/IP Illustrated Volume1>中給出的四次揮手過程中最后一條消息的seq是錯誤的