TCP协议（包括TCP的连接过程，数据分段,TCP有关服务器优化）

Transmission Control Protocol/Internet Protocol 传输控制协议/因特网互联协议

TCP/IP是一个Protocol Stack（协议栈），包括TCP、IP、UDP、ICMP、RIP、TELNET、FTP、SMTP、ARP等许多协议，最早发源于美国国防部（缩写为DoD）的因特网的前身ARPA网项目，1983年1月1日，TCP/IP取代了旧的网络控制协议NCP，成为今天的互联网和局域网的基石和标准,由互联网工程任务组负责维护。

TCP/IP共定义了四层和ISO参考模型的分层有对应关系

TCP/IP所对应的应用层的协议：

（应用层的我们这里不阐述了，主要说传输层的TCP协议）

传输层所对应的协议：

传输层主要有两个重要的协议，TCP和UDP协议。

TCP：可靠地面向连接的服务

TCP的特性：

工作在传输层
面向连接协议
全双工协议
半关闭
错误检查
将数据打包成段，排序
确认机制
数据恢复，重传
流量控制，滑动窗口
拥塞控制，慢启动和拥塞避免算法

TCP的首部：

TCP的首部由最少5个32bit组成，其中每32个bit为一组：

第一行  ：前16bit为source port, 后16bit为destination port    ，自身发起的端口，和要到达端口（端口范围0-65535）
第二行  ：32bit表示数据包的序号 Seq 即Seqence  ，其实的Sequnce是随机数并不固定（双方进行通讯所使用的Seq均为自己的，互不相干，请正确理解这句好，再通俗一点讲就是，自己算自己的序列编号。）
第三行  ：32bit表示数据包确认的序号 Ack 即 Acknowledgment  ，该位是用来确认对方的Seq的编号，如果正确收到了对方信号，这位的值回事，对方发送到己方的Seq的值+1，主要的作用就是告诉对方，“你发的包，我收到了，请发下一个包”，所以Ack的值为对方Seq的值+1。
第四行：4bit数据偏移，用来表示整个TCP首部的长度（最少5行最多15行，每行4个字节）；6bit的保留位，这里不阐述；6bit的状态标示位，分别是：URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN,其中每一位都只有0和1来表示，1表示有状态，0表示无状态。 窗口大小：表示现在允许对方发送的数据量，也就是告诉对方，从本报文段的确认号开始允许对方发送的数据包的数量。

URG：紧急指针位，表示本报文段中发送的数据是否包含紧急数据；当该位为1时，TCP首部的第5行，紧急指针位数据表示有效。
ACK：确认位，表示确认位生效，该ACK 和第三行的Ack不同，第三行为序号，这里的ACK是标志位。
PSH：我也不知道该怎么叫，暂且叫推送位吧，功能：提示接收端应用程序应该立即从TCP接收缓冲区中读走数据，为接收后续数据腾出空间。如果该位为1，在接收数据后，立即马上传送给应用程序，不会放在内核的buffer中。
RST：重置位，当应用程序出现异常，重新创建新的连接。
SYN：同步位，建立连接时使用，用来同步序号（序号）
FIN：终止位，通知对方要关闭连接

第五行：前16bit校验和后16bit紧急指针位；checksum 是个通用的计算机概念，做完整性校验之用，在很多协议（IP，UDP，ICMP）中都有应用，这个值由包的发送方去计算，之后由包的接收方取出来校验。Urgent pointer 为两个字节的偏移量，加上当前包的 sequence number，用来标记某一个范围内的 bytes 为特殊用途数据。

第六行以及以后：选项

选项部分：其最大长度可根据TCP首部长度进行推算。TCP首部长度用4位表示，选项部分最长为：(2^4-1)*4-20=40字节
常见选项：
最大报文段长度：Maxium Segment Size，MSS
指明自己期望对方发送TCP报文段时那个数据字段的长度。默认是536字节。数据字段的长度加上TCP首部的长度才等于整个TCP报文段的长度。MSS不宜设的太大也不宜设的太小。若选择太小，极端情况下，TCP报文段只含有1字节数据，在IP层传输的数据报的开销至少有40字节（包括TCP报文段的首部和IP数据报的首部）。这样，网络的利用率就不会超过1/41。若TCP报文段非常长，那么在IP层传输时就有可能要分解成多个短数据报片。在终点要把收到的各个短数据报片装配成原来的TCP报文段。当传输出错时还要进行重传，这些也都会使开销增大。因此MSS应尽可能大，只要在IP层传输时不需要再分片就行。在连接建立过程中，双方都把自己能够支持的MSS写入这一字段。 MSS只出现在SYN报文中。

窗口扩大：Windows Scaling
为了扩大窗口，由于TCP首部的窗口大小字段长度是16位，所以其表示的最大数是65535。但是随着时延和带宽比较大的通信产生（如卫星通信），需要更大的窗口来满足性能和吞吐率，所以产生了这个窗口扩大选项

时间戳： Timestamps
可以用来计算RTT(往返时间)，发送方发送TCP报文时，把当前的时间值放入时间戳字段，接收方收到后发送确认报文时，把这个时间戳字段的值复制到确认报文中，当发送方收到确认报文后即可计算出RTT。也可以用来防止回绕序号PAWS，也可以说可以用来区分相同序列号的不同报文。因为序列号用32为表示，每2^32个序列号就会产生回绕，那么使用时间戳字段就很容易区分相同序列号的不同报文。

TCP首部图片：

建立TCP连接

先看图：

咱们来描述一下上图：

一般发起TCP连接的都是client端
1、首先client端和server端都是处于关闭状态，之后，服务器端打开端口，并绑定IP和端口，使其端口处于LISTEN状态（阻塞）。
2、client端打开端口，像服务器端发出建立tcp连接请求,TCP报文头SYN标记位为1，第二行序号为一个初始随机数x，client端连接状态从CLOSED改变为SYN-SENT
3、server端收到报文后，回应client端报文 SYN,ACK=1确认收到请求，请client端放松下一条信息，TCP第二行seq为自己生成的初始随机数y，TCP首第三行Ack为client端发送报文中seq的值+1，即x+1，server端修改自身状态为SYN-RCVD
4、client端收到server端回馈的信息，再次发送ACK=1表示收到server端信息，根据历史发送的信息，更改seq为之前+1，而TCP首部第三行ack则为server端的seq信号+1，即y+1，修改自身状态为ESTABLISHED
5、server端收到client端的ACK确认TCP连接成立，并修改自身连接状态为ESTABLISHED

上图就是经典的TCP3次握手建立连接的过程。

TCP四次挥手

先看图：

4次挥手就是断开TCP连接的过程，要发起断开TCP连接，无论client端发起还是server端发起，都是可以的。
1、A要求断开TCP，会向B机器发送FIN信号，并发送序列seq=u（继承之前生成的序号+1），自己进入FIN-WAIT-1状态
2、B收到要断开的请求之后回应A一个ACK，并发送序列seq=v（继承之前生成的序号+1），自身进入CLOSE-WAIT状态（处理未处理完的数据），在A收到这条信息后，A的状态改变为FIN-WAIT-2
3、当B处理完未完成的数据后，再次向A发出信号,FIN=1，ACK=1确认关闭连接，自身状态变为LAST-ACK状态
4、A收到B发来的FIN和ACK后，再次回应ACK,自身进入TIME-WAIT状态并等待2倍MSL时间关闭连接(msl为报文段生存时间)
5、B收到A的ack后连接就关闭了。

客户端从FIN_WAIT_1状态可能直接进入TIME_WAIT状态（不经过FIN_WAIT_2状态），前提是处于FIN_WAIT_1状态的服务器直接收到带确认信息的结束报文段（而不是先收到确认报文段，再收到结束报文段）

所有状态的描述：

CLOSED 没有任何连接状态
LISTEN 侦听状态，等待来自远方TCP端口的连接请求
SYN-SENT 在发送连接请求后，等待对方确认
SYN-RECEIVED 在收到和发送一个连接请求后，等待对方确认
ESTABLISHED 代表传输连接建立，双方进入数据传送状态
FIN-WAIT-1 主动关闭,主机已发送关闭连接请求，等待对方确认
FIN-WAIT-2 主动关闭,主机已收到对方关闭传输连接确认，等待对方发送关闭传输连接请求（服务器需要优化的项目）
TIME-WAIT 完成双向传输连接关闭，等待所有分组消失（高并发时，服务器需要优化的项目）
CLOSE-WAIT 被动关闭,收到对方发来的关闭连接请求，并已确认
LAST-ACK 被动关闭,等待最后一个关闭传输连接确认，并等待所有分组消失
CLOSING 双方同时尝试关闭传输连接，等待对方确认（断开连接时不会产生4次握手，直接断开，双方同时发送FIN请求关闭）

TCP连接优化：

处于FIN_WAIT_2状态的客户端需要等待服务器发送结束报文段，才能转移至TIME_WAIT状态，否则它将一直停留在这个状态。如果不是为了在半关闭状态下继续接收数据，连接长时间地停留在FIN_WAIT_2状态并无益处。连接停留在FIN_WAIT_2状态的情况可能发生在：客户端执行半关闭后，未等服务器关闭连接就强行退出了。此时客户端连接由内核来接管，可称之为孤儿连接（和孤儿进程类似）

Linux为了防止孤儿连接长时间存留在内核中，定义了两个内核参数：
/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_orphans 指定内核能接管的孤儿连接数目(centos7 默认4096，centos6默认65536）
/proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout 指定孤儿连接在内核中生存的时间（默认为60秒）

Linux中Time-Wait值过高优化参数：

本方法只对拥有大量TIME_WAIT状态的连接导致系统资源消耗有效，不是这个原因的情况下，效果可能不明显。使用netstat命令。查看当前TCP/IP连接的状态和对应的个数：
# netstat -an | awk ‘/^tcp/ {++s[$NF]} END {for(a in s) print a, s[a]}’

假如这个命令会显示出类似下面的结果：
TIME_WAIT 63648
FIN_WAIT1 3
FIN_WAIT2 4
ESTABLISHED 184
LISTEN 17

我们只用关心TIME_WAIT的个数，在这里可以看到，有6w多个TIME_WAIT，这样就占用了6w多个端口。要知道端口的数量只有65535个，占用一个少一个，会严重的影响到后继的新连接。这种情况下，我们就有必要调整下Linux的TCP/IP内核参数，让系统更快的释放 TIME_WAIT连接。
/proc/sys/net/ipv4/tcp_syncookies = 1  #表示开启SYN Cookies。当出现SYN等待队列溢出时，启用cookies来处理，可防范少量SYN攻击，默认为0，表示关闭
/proc/sys/net/ipv4/tcp_tw_reuse = 1  #表示开启重用。允许将TIME-WAIT sockets重新用于新的TCP连接，默认为0，表示关闭
/proc/sys/net/ipv4/tcp_tw_recycle = 1  #表示开启TCP连接中TIME-WAIT sockets的快速回收，默认为0，表示关闭
/proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout = 5  # 指定孤儿连接在内核中生存的时间为5秒
如果你的连接数本身就很多，我们可以再优化一下TCP/IP的可使用端口范围，进一步提升服务器的并发能力。加入下面这些配置：
/proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_time = 1200  #表示当keepalive起用的时候，TCP发送keepalive消息的频度。缺省是2小时，改为20分钟
/proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range = 10000 65000  #表示用于向外连接的端口范围。缺省情况下很小：32768到61000，改为10000到65000
/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog = 8192  #表示SYN队列的长度，默认为1024，加大队列长度为8192，可以容纳更多等待连接的网络连接数
/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_tw_buckets = 5000  #表示系统同时保持TIME_WAIT的最大数量，如果超过这个数字，TIME_WAIT将立刻被清除并打印警告信息。默认为180000，改为5000。对于Apache、Nginx等服务器，上几行的参数可以很好地减少TIME_WAIT套接字数量，但是对于 Squid，效果却不大。此项参数可以控制TIME_WAIT的最大数量，避免Squid服务器被大量的TIME_WAIT拖死。

经过这样的配置之后，你的服务器的TCP/IP并发能力又会上一个新台阶。

但是当服务器收到大量的短连接时，Linux的TCP栈一般还是会生成大量的 TIME_WAIT 状态的socket。tcp_fin_timeout参数并不能缩短timewait的时间，在linux内核中真正管用的是一个宏定义，在 $KERNEL/include/net/tcp.h里面，有下面的行：
#define TCP_TIMEWAIT_LEN (60*HZ)
而这个宏是真正控制 TCP TIME_WAIT 状态的超时时间的。如果我们希望减少 TIME_WAIT 状态的数目(从而节省一点点内核操作时间)，那么可以把这个数值设置低一些，把上面的修改为：
#define TCP_TIMEWAIT_LEN (10*HZ)

　　然后重新编译内核，重启系统即可发现短连接造成的TIME_WAIT状态大大减少，一般情况都可以至少减少2/3。也能相应提高系统应对短连接的速度