前言

　　TCP和UDP是今天应用最广泛的传输层协议，拥有最核心的垄断地位。今天互联网的整个传输层，几乎都是基于这两个协议打造的。无论是应用开发、框架设计选型、做底层和优化，还是定位线上问题，只要碰到网络，就逃不开 TCP 协议相关的知识。

本章节待解决问题

Q1: TCP为什么是3次握手，4次挥手？？？

1. 漫游互联网：什么是蜂窝移动网络？

　　网络传输需要通信链路（Communication Link），而通信链路是一个抽象概念。这里说的抽象，就是面向对象中抽象类和继承类的关系，比如同轴电缆是通信链路，无线信号的发送接收器可以构成通信链路，蓝牙信道也可以构成通信链路。在移动网络中，无线信号构成了通信链路。在移动网络的设计中，通信的核心被称作蜂窝塔（Cellular Tower），有时候也称作基站（BaseStation）。之所以有这样的名称，是因为每个蜂窝塔只覆盖一个六边形的范围，如果要覆盖一个很大的区域就需要很多的蜂窝塔（六边形）排列在一起，像极了蜜蜂的巢穴。这种六边形的结构，可以让信号无死角地覆盖。想象一下，如果是圆形结构，那么圆和圆之间就会有间隙，造成一部分无法覆盖的信号死角，而六边形就完美地解决了这个问题。

2. 传输层协议 TCP

　　TCP是一个传输层协议，提供Host-To-Host数据的可靠传输，支持全双工，是一个连接导向的协议。

2.1 主机到主机（Host-To-Host）

　　TCP 提供的是 Host-To-Host 传输，一台主机通过 TCP 发送数据给另一台主机。TCP 协议往上是应用到应用的协议。TCP 上层的应用层协议使用 TCP 能力的时候，需要告知 TCP 是哪个应用——这就是端口号。端口号用于区分应用TCP 要实现主机到主机通信，就需要知道主机们的网络地址（IP 地址），但是 TCP 不负责实际地址到地址（Address-To-Address）的传输，因此 TCP 协议把 IP 地址给底层的互联网层处理。互联网层，也叫网络层（Network Layer），提供地址到地址的通信。

　　互联网层解决地址到地址的通信，但是不负责信号在具体两个设备间传递。因此，网络层会调用下方的链路层在两个相邻设备间传递信息。当信号在两个设备间传递的时候，科学家又设计出了物理层封装最底层的物理设备、传输介质等，由最下方的物理层提供最底层的传输能力。如下图的5层架构，我们称为互联网协议群，也称作 TCP/IP 协议群。

alt TCP/IP5层模型

2.2 什么是连接和会话？

　　连接是通信双方的一个约定，目标是让两个在通信的程序之间产生一个默契，保证两个程序都在线，而且尽快地响应对方的请求，这就是连接（Connection）。

　　和连接关联的还有一个名词，叫作会话（Session），会话是应用的行为。比如微信里张三和你聊天，那么张三和你建立一个会话。你要和张三聊天，你们创建一个聊天窗口，这个就是会话。你开始 Typing，开始传输数据，你和微信服务器间建立一个连接。如果你们聊一段时间，各自休息了，约定先不要关微信，1 个小时后再回来。那么连接会断开，因为聊天窗口没关，所以会话还在。

2.3 双工/单工问题

　　在任何一个时刻，如果数据只能单向发送，就是单工>，所以单工需要至少一条线路。如果在某个时刻数据可以向一个方向传输，也可以向另一个方向反方向传输，而且交替进行，叫作半双工；半双工需要至少 1 条线路。最后，如果任何时刻数据都可以双向收发，这就是全双工，全双工需要大于 1 条线路。

2.4 什么是可靠性？

　　可靠性指数据保证无损传输

2.5 TCP的握手和挥手

　　TCP 是一个连接导向的协议，设计有建立连接（握手）和断开连接（挥手）的过程。TCP 没有设计会话（Session），因为会话通常是一个应用的行为。

2.5.1 建立连接的过程（三次握手）

　　因为要保持连接和可靠性约束，TCP 协议要保证每一条发出的数据必须给返回，返回数据叫作 ACK（也就是响应）。按照这个思路，你可以看看建立连接是不是需要 3 次握手：

　　1. 客户端发消息给服务端（SYN）
　　2. 服务端准备好进行连接
　　3. 服务端针对客户端的 SYN 给一个 ACK
　　4. 服务端发送一个 SYN 给客户端
　　5. 客户端准备就绪
　　6. 客户端给服务端发送一个 ACK

alt TCP三次握手

　　细心的同学可能会有疑问，上面不是 6 个步骤吗？ 怎么是 3 次握手呢？下面我们一起分析一下其中缘由:

　　步骤 1 是 1 次握手；步骤 2 是服务端的准备，不是数据传输，因此不算握手；步骤 3 和步骤 4，因为是同时发生的，可以合并成一个 SYN-ACK 响应，作为一条数据传递给客户端，因此是第 2 次握手；步骤 5 不算握手；步骤 6 是第 3 次握手。 为了方便理解步骤 3 和步骤 4，这里我画了一张图。可以看到下图中 SYN 和 ACK 被合并了，因此建立连接一共需要 3 次握手，过程如下图所示：

alt

2.5.2 断开连接的过程（4 次挥手）

　　继续上面的思路，如果断开连接需要几次握手？可以在脑海中这样构思:
　　1. 客户端要求断开连接，发送一个断开的请求，这个叫作（FIN）。
　　2. 服务端收到请求，然后给客户端一个 ACK，作为 FIN 的响应。
　　3. 这里你需要思考一个问题，可不可以像握手那样马上传 FIN 回去？
　　这个情况时服务端不能马上传FIN，因为断开连接要处理的问题比较多，比如说服务端可能还有发送出去的消息没有得到 ACK；也有可能服务端自己有资源要释放。因此断开连接不能像握手那样操作——将两条消息合并。所以，服务端经过一个等待，确定可以关闭连接了，再发一条 FIN 给客户端。
　　4. 客户端收到服务端的 FIN，同时客户端也可能有自己的事情需要处理完，比如客户端有发送给服务端没有收到 ACK 的请求，客户端自己处理完成后，再给服务端发送一个 ACK。

　　经过以上分析，就可以回答上面这个问题了。是不是刚刚好 4 次挥手？过程如下图所示：
alt

小结

因此考虑TCP为什么是3次握手，4次挥手？？？

　　TCP 是一个双工协议，为了让双方都保证，建立连接的时候，连接双方都需要向对方发送 SYC（同步请求）和 ACK（响应）。 握手阶段双方都没有烦琐的工作，因此一方向另一方发起同步（SYN）之后，另一方可以将自己的 ACK 和 SYN 打包作为一条消息回复，因此是 3 次握手——需要 3 次数据传输。 到了挥手阶段，双方都可能有未完成的工作。收到挥手请求的一方，必须马上响应（ACK），表示接收到了挥手请求。类比现实世界中，你收到一个 Offer，出于礼貌你先回复考虑一下，然后思考一段时间再回复 HR 最后的结果。最后等所有工作结束，再发送请求中断连接（FIN），因此是 4 次挥手。