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# TCP

TCP相较于UDP，具有可靠性，但是相对的占用系统资源；而UDP没有TCP那些可靠的机制，所以相比较于TCP更快。

### 单工、半双工、全双工

根据通信双方的分工和信号传输方向可将通信分为三种方式：单工、半双工与全双工

**单工**：数据只能在单个方向上传输。比如广播 **半双工**：数据可以在两个方向上传输，在同一时刻只允许一个方向传输。 比如对讲机 **全双工**：数据可以在两个方向上传输，在同一时刻也允许两个方向传输。比如手机通话

> TCP 和 UDP 都是全双工

### TCP 协议

TCP(Transmission Control Protocol)传输控制协议，是主机对主机层的传输控制协议，用于提供可靠的连接服务。为了保证TCP协议的可靠性，保证数据正确的传输给对方，在连接时需要进行**三次握手**，确保双方可以正常通信，在断开连接时需要进行**四次挥手**，确保双方数据都传输完毕，保证数据传输完毕。

#### 三次握手协议

三次握手（Three-Way-Handshake）即建立TCP连接，就是指建立一个TCP连接时，客户端和服务端总共需要发送三个包确认连接的建立

借用一下这个小例子，来描述三次握手的流程：

> 土豆土豆 我是地瓜，收到请回答 地瓜收到，土豆收到请回答 土豆收到

步骤1和2：确认地瓜可以正常收到土豆的消息 步骤2和3：确认土豆可以正常收到地瓜的消息

这三步就可以保证土豆和地瓜正常通信，这就是三次握手。下面是具体流程：

![](/files/hpxkotq10QC2hM42mZYz)

1. 客户端发送第一次握手请求，并携带SYN=j（j是一个唯一的随机数，代表此次请求），此时客户端此时变为已发送的状态(SYN\_SEND)
2. 服务端接收到客户端的握手请求，此时进入 LISTEN 打开状态
3. 服务端发送ACK确认包，此时是第二次握手，ACK=j+1表示是哪个请求，并再次发送SYN=k(k也是唯一随机数，用来代表此次请求)
4. 客户但接收到ACK信息，此时客户端进入 ESTABLISHED 状态，代表客户端到服务端信息发送正常
5. 客户端发送ACK确认信息给服务端，此时是第三次握手，告诉服务端可以正常收到他的信息
6. 服务端收到ACK信息后，将状态变为ESTABLISHED，双方可以正常通信， 整个握手流程结束

#### 四次挥手协议

四次挥手（Four-Way-Wavehand）即终止TCP连接，就是断开一个TCP连接时，客户端和服务短短总共需要发送四个包确认连接的断开

目的：保证客户端和服务端都没有消息传递了再关闭

> 男朋友（客户端）：我有点事先不聊了 女朋友（服务端）：好的，等下，我还有点事没讲完 ... 女朋友（服务端）：好了，我没事了挂了吧 男朋友（客户端）：喂.... （随即男朋友也挂断了电话）

通过四次通信，确认tcp通信已经完成，并关闭连接，这就是四次挥手，下面是具体流程：

![](/files/1t3qVje3qpgwrM00CIgk)

1. 客户端发送FIN M（M是发送id），表示客户端要结束了，此时客户端进入FIN\_WAIT\_1 状态
2. 服务端接收到请求后，进入CLOSE\_WAIT状态(等待关闭)，再向客户端发送ACK确认包，告诉客户端，我已经接收到了关闭请求
3. 等到服务端数据传送完毕，发送FIN N给客户端，告诉客户端处理完毕，即将进入关闭状态
4. 客户端接收到 FIN N，返回ACK确认包，此时服务端进入关闭状态

#### TCP 长连接、短连接

**长连接**，指在一个TCP连接上可以连续发送多个数据包，在TCP连接保持期间，如果没有数据包发送，需要双方发检测包以维持此连接（心跳机制），一般需要自己做在线维持。 过程： `连接→数据传输→保持连接(心跳)→数据传输→保持连接(心跳)→……→关闭连接`

**短连接**是指通信双方有数据交互时，就建立一个TCP连接，数据发送完成后，则断开此TCP连接，比如http连接

#### TCP通信原理

对于TCP通信来说，每个TCP Socket的内核中都有一个发送缓冲区和一个接收缓冲区，**TCP全双工的工作模式及TCP的滑动窗口就是依赖于这两个独立的Buffer和该Buffer的填充状态**。

![tcp通信原理](/files/FIOMEl7AIgdD9jaLEtmy)

进程调用Socket的send发送数据的时候，一般情况下是将数据从应用层用户的Buffer里复制到Socket的内核发送缓冲区，然后send就会在上层返回。换句话说，send返回时，数据不一定会被发送到对端。

接收端接收到数据后，将数据放在接收缓冲区中，若应用进程一直没有调用Socket的read方法进行读取，那么该数据会一直被缓存在接收缓冲区内。不管进程是否读取Socket，对端发来的数据都会经过内核接收并缓存到Socket的内核接收缓冲区。 read索要做的工作，就是把内核接收缓冲区中的数据复制到应用层用户的Buffer里。

#### 滑动窗口协议

滑动窗口协议用于控制流量，TCP滑动窗口分为接受窗口和发送窗口。滑动窗口协议是**传输层进行流控**的一种措施，**接收方通过通告发送方自己的窗口大小，从而控制发送方的发送速度**，从而达到防止发送方发送速度过快而导致自己被淹没的目的。

视频演示：[优酷-TCP sliding window](https://v.youku.com/v_show/id_XNDg1NDUyMDUy.html)

视频中发送端向接收端发送 segment 数据片段，接收端接收到数据片段后给发送端发送ACK确认包。当发送端接收到3个ack信号时，即发送端滑动窗口满了的时候，才会再次发送，如果未满，说明接收端仍然在处理。而接收端只有在收到3个segemnt信号时，滑动窗口才会移动，才能再次接收segement。从而达到限流的目的。


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