聊聊TCP協議
簡介
TCP = TRANSMISSION CONTROL PROTOCOL，即傳輸控制協議。
在網路中，TCP協議處於第四層，在物理層（線纜，光纖，無線信道等），數據鏈路層（交換層面segment），網路層（IP）這三個層面之上的一層協議。也就是說，在我們討論TCP協議的時候，意味著我們的前提是IP可達，ping包可通的情況下。
那為什麼要設計TCP協議呢？因為實際需求就在那裡，好吧我來翻譯這句話。
首先我們知道，需要給兩台設備設計的通信有很多很多，比方說你要上傳/下載文件，發送QQ消息，發送郵件等等，如果把這些協議都設計成三層，那麼IP協議將會十分複雜且低效。所以我們新增了四層埠號這個概念，將網路拓展到了四層。這時候兩種聲音出現了，一種聲音是可靠傳輸，但會損失一些性能；另一種聲音是不需要可靠傳輸，要的是更低的延遲，更精簡的包頭。因為有這兩種不同的需求，所以TCP和UDP兩種協議便被設計並規範出來。可以說TCP是為了滿足多樣，可靠的傳輸而出現的產物。
包頭
當我們談及網路協議時，最簡單的方法就是看它的包頭，如果能深刻的理解包頭每個位元組的作用，那麼你也就真正的理解了這種網路協議。不多說，上圖。
前文已經說過，TCP協議設計出來的主要目的是為了滿足多樣、可靠這兩種需求。圖中的前三行，4個欄位，共12個位元組很好的解釋了這一點。
Source Port & Destination Port: 16 bits*2
源埠和目的埠各佔16 bits，也就是說我們可以擁有2^16 = 65536個埠號，也就是說我們可以開放這6萬多個埠給一台設備提供不同的服務。
Sequence Number & Acknowledgment Number: 32 bits*2
這兩個欄位各自佔據了TCP包頭4個位元組的位置，其重要性可想而知，而且TCP的可靠傳輸主要是靠這兩個位元組來實現，具體它們是如何實現在工作這一小節去具體描述。再往下看。
Data Offset: 4 bits
因為TCP包頭中有部分可選欄位，所以我們需要一個指針來指示數據的開始的地方，Data Offset欄位完成的就是這頂功能。有細心的同學會發現，它的最大值為2^4 = 16，而圖中的TCP包頭已經有24個位元組了，這裡要特殊說明的是，這裡的1是代表1行，也就是4個位元組的內容，我們可以表示的範圍是（0 ~ 15）*4 = 0 ~ 60位元組，而TCP最少佔有20個位元組，這就意味著我們最多有40個位元組的可選欄位可以使用。
Reserved: 6 bits
這是保留欄位，不用時設為0。或許當我們需要實現新的功能時，這6個bit可以提供相應的標識。目前後三個bit已經有用作標識，NS、CWR、ECE，有興趣的同學可以自己去看看相關RFC的規定。
Control Bits: 6 bits
URG: Urgent Pointer field significant
確認是否有緊急指針，即第五行後面的Urgent Pointer欄位。
ACK: Acknowledgment field significant
確認是否為ACK信息，除了初始的SYN包外，這個欄位都應標為1。
PSH: Push Function
確認是否將數據推給上層協議，如果是1則推送，如果是0則先緩存下來。
RST: Reset the connection
確認是否重置連接，如果出現重大差錯，會將該欄位置為1。
SYN: Synchronize sequence numbers
確認是否為同步序列號，只有從端發出的第一個包才會將該該置為1.
FIN: No more data from sender
確認是否中斷。如果發送方將信息發送完畢則將該欄位置為1。
Window: 16 bits
表示從確認號開始，本報文的源方可以接收的位元組數，即源方接收窗口大小。這是個很有意思的機制，有機會再展開討論一下。
Checksum: 16 bits
對整個的TCP報文段，包括TCP頭部和TCP數據，以16位字進行計算所得。該欄位主要確認在信道傳輸過程中，內容無差錯。
Urgent Pointer: 16 bits
用作指針，指到緊急數據的結束位。主要用途是傳輸一些緊急數據，這裡不展開說了。
Options & Padding
擴展欄位，前文已經計算過，最長為40個位元組，這裡也不展開說了。
Data
數據，前面那麼多包頭的信息，傳輸的就是這數據，研究協議的時候，我們把他看作成一個整體就好，不用關心我們到底利用這個協議傳輸了什麼內容。至於MTU長度，分片等內容也很重要，有時間再寫吧。
工作原理
因為不能把所有的IP協議都當作TCP協議來使用，所以我們規定，當檢測到IP協議中PROTOCOL欄位為6時，我們將IP欄位後的協議視為TCP協議。也就是說，我們討論的前提又加了一項，TCP協議被調用。
TCP的功能有很多很多，在這裡選擇介紹兩項關注比較多的內容，連接建立/斷開和流量控制。如果一起討論其它功能，可以在評論區留言說明。
連接建立/斷開
一個正常的TCP連接從建立到分開，要完成三次握手四次揮手。先是建立，見圖。
- 客戶端向伺服器申請建立TCP連接，向伺服器端發送一個SYN報文，作為第一次握手。客戶端把這段連接的SYN設定為隨機數A。
- 伺服器端收到SYN報文後，會給客戶端發送一個報文。報文中ACK的確認碼為A+1，同時發送另一個SYN為隨機序號B。
- 此時，客戶端收到ACK為A+1的報文，將之與發送的SYN包進行比對，如果滿足+1的關係，則在客戶端判斷連接已建立。並給伺服器發送確認數據包，SYN為A+1，表明已收到上一報文，ACK為B+1，通知伺服器進入連接狀態。
至此，TCP連接建立完畢，可以正常傳輸數據了。再是連接終結，即四次揮手，還是看圖。
- 客戶端向伺服器端發送一個FIN報文，作為第一次揮手。通知伺服器，我已經沒有數據還要發送。但不確認伺服器是否扔有數據返回，所以連接仍是建立狀態。
- 伺服器收到FIN報文，返回一個ACK報文，告訴客戶端，我知道你已經沒有東西要發送了，但我還要再確認一下我是不是還有東西要給你。
- 伺服器判斷自己也沒有報文需要發送給客戶端，發送FIN消息，告訴客戶端，好了，這下我也沒有東西要給你了，你可以終結連接了。此時伺服器不確認客戶端是否收到信息，繼續保持連接。
- 客戶機收到ACK和FIN消息後，得知伺服器已經知道自己要終結，並且無更新內容，便給伺服器發送一個ACK說我知道了，你也終結吧，客戶機便終結連接。伺服器在收到最後一條ACK後，也終結連接。
至此，四次揮手操作完成，連接終結。
擁塞控制
要注意的是，擁塞控制和流量控制不是一回事，今天要說的是擁塞控制，流量控制有機會再聊。擁塞控制是TCP協議設計中一個很棒的特性，這個特性讓TCP協議在網路傳輸中合理的利用帶寬，使速度最大化。TCP中的擁塞控制用到以下幾種技術，慢啟動、擁塞避免、快速重傳和快速恢復技術。
慢啟動技術。如果連接建立好，一上來就給對端發大量的報文，可能無法到達，並造成網路鏈路的擁塞。慢啟動技術是開始會發很小的報文給對端，收到對端的ACK判斷可達後，會加倍報文量發送同時等待，如果收到對端的ACK則繼續加倍，如果等待超時且沒有收到ACK則意味著報文過大，超過鏈路負荷，開始發送原有報文+1大小的報文，如此反覆。以達到最大利用帶寬。
可以說，慢啟動是擁塞控制技術的核心。但如果在傳輸中遇到了鏈路不穩定，TCP則會讓傳輸速度降至谷底，將窗口設為1，繼續慢啟動。這樣，一個小小的干擾就讓速度損失這麼多，並且浪費了帶寬，IT人肯定是不同意的，所以就有了後面幾種機制。這麼多的技術，其目的只有一個，儘可能大的利用帶寬！抓住這一點再對後面的技術產生和原理進行理解，將事半功倍。這裡就不再展開繼續說明了。
總之，這次寫了不少東西，也挖了不少坑，具體要不要填，填哪些坑，希望和朋友們一起探討，歡迎大家留言。
最後，貼一下TCP完整的邏輯判斷及狀態機流程圖，如果能看懂這張圖以及上面的報文圖。可以說你已經對TCP有了一個較深的理解了。
參考
本文部分內容，引用自Wikipedia和相關RFC，有興趣深入了解的朋友也可以自行查看。
TCP維基百科
TRANSMISSION CONTROL PROTOCOL
TCP Extensions for High Performance
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