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TCP/IP协议简介
TCP/IP（Transmission Control Protocol / Internet Protocol，传输控制协议/网际协议）是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇。TCP/IP协议不仅仅指的是 TCP 和 IP 两个协议，而是指一个由FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等协议构成的协议簇， 只是因为在TCP/IP协议中TCP协议和IP协议最具代表性，所以被称为TCP/IP协议。
TCP/IP协议在一定程度上参考了OSI的体系结构。OSI模型共有七层，从下到上分别是物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层。但是这显然是有些复杂的，所以在TCP/IP协议中，它们被简化为了四个层次，分别是应用层、传输层、网络层和数据链路层。
| OSI七层模型 | TCP/IP概念层模型 | 功能 | TCP/IP协议簇 |
|---|---|---|---|
| 应用层 | 应用层 | 文件传输、电子邮件、文件服务虚拟终端 | Telnet、FTP、SMTP、HTTP等 |
| 表示层 | 数据格式化、代码转换、数据加密 | 无 | |
| 会话层 | 解除或建立与其他节点的联系 | 无 | |
| 运输层 | 传输层 | 使用者使用平台和计算机信息网内部数据结合的通道，可以实现数据传输与数据共享 | TCP和UDP |
| 网络层 | 网络层 | 为数据包的传送选择路由 | ICMP、IP、IGMP |
| 数据链路层 | 数据链路层 | 链路管理错误检测 | ARP、RARP |
| 物理层 | 以二进制数据形式在物理媒体上传输数据 |
TCP报文格式
常用端口号 应用程序 FTP TFTP TELENT SMTP DNS HTTP SSH MYSQL 端口 21,22 69 23 25 53 80 22 3306 传输层协议 TCP UDP TCP TCP UDP TCP TCP TPC
- ***(sequence number)：seq序号，占4个字节(32位)，用来标记数据段的顺序，TCP把连接中发送的所有数据字节都编上一个序号，第一个字节的编号由本地随机产生；给字节编上序号后，就给每一个报文段指派一个序号；***seq就是这个报文段中的第一个字节的数据编号。
- 确认号（acknowledgement number）：ack序号，占4个字节(32位)，期待收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号；***表示报文段携带数据的第一个字节的编号；而确认号指的是期望接收到下一个字节的编号；因此当前报文段最后一个字节的编号+1即为确认号。
- 首部长度：该字段占用4位，用来表示报文首部的长度，单位是4Byte。如：headLen = ((packet[12]>>4)&0x0F)*4。
- 预留6位：长度为6位，作为保留字段，暂时没有什么用处。
- 标志位：共6个，即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等。具体含义如下：
- URG：长1位，紧急指针（urgent pointer）有效。
- ACK：长1位，确认序号有效。TCP协议规定，只有ACK=1时有效，也规定连接建立后所有发送的报文的ACK必须为1
- PSH：长1位，表示当前报文需要请求推（push）操作。
- RST：长1位，置位表示复位TCP连接。
- SYN：长1位，连接建立时用于同步序号。当SYN=1，ACK=0时表示：这是一个连接请求报文段。若同意连接，则在响应报文段中使得SYN=1，ACK=1。因此，SYN=1表示这是一个连接请求，或连接接受报文。SYN这个标志位只有在TCP建产连接时才会被置1，握手完成后SYN标志位被置0。
- FIN：长1位，释放一个连接。FIN=1表示：此报文段的发送方的数据已经发送完毕，并要求释放运输连接
- 窗口大小：长度为16位，2个字节。
- 校验和：长度为16位，2个字节。
- 紧急指针：长度为16位，2个字节。
以上是TCP包头必须要有的字段，也称固有字段，长度为20个字节
三次握手
直接上图（图片来源博主：SCU阳光）
过程：
刚开始, 客户端和服务器都处于 CLOSE 状态。
接着客户端向服务器主动发出连接请求, 服务器被动接受连接请求。
然后服务器进程先创建传输控制块TCB, 时刻准备接受客户端进程的连接请求, 此时服务器就进入了 LISTEN（监听）状态。
接下来就要握手了：
第一次握手：客户端发送请求连接，即SYN=1 ACK=0，TCP规定SYN=1时不能携带数据，但要消耗一个序号，因此声明自己的序号是 seq=x，并进入SYN_SEND（同步已发送）状态，等待服务器确认；
第二次握手：服务器收到请求报文后，如果同意连接，则发出确认报文，确认报文中的SYN=1，ACK=1，确认序号是 ack=x+1，同时也要为自己初始化一个*** seq = y，此时服务器进入SYN_RECV（同步收到）状态；这个报文也不能携带数据, 但是同样要消耗一个序号；
第三次握手：客户端进程收到确认后，要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1，确认序号ack=y+1，自己的***seq= x+1。此时，TCP连接建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态，此后双方就可以开始通信了。
为什么要三次握手?
三次握手简化：
第一次：客户端 --> 服务器，此时服务器知道了客户端要建立连接了；
第二次：服务器-->客户端， 此时客户端知道服务器收到连接请求了；
第三次：客户端 -->服务器，此时服务器知道客户端收到了自己的回应。
首先非常明确的是两次握手是最基本的。第一次握手，客户端发了个连接请求消息到服务端，服务端收到信息后知道自己与客户端是可以连接成功的，但此时客户端并不知道服务端是否已经接收到了它的请求，所以服务端接收到消息后的应答，客户端得到服务端的反馈后，才确定自己与服务端是可以连接上的，这就是第二次握手。
那么为什么需要第三次握手呢？第三次握手是为了防止服务器端开启一些无用的连接增加服务器开以及已经失效的连接请求报文段突然又传到服务端，因而产生错误。
举个栗子：客户端发出去的第一个连接请求由于某些原因在网络节点中滞留了导致延迟，直到连接释放的某个时间点才到达服务端，这是一个早已失效的报文，但是此时服务端仍然认为这是客户端的建立连接请求第一次握手，于是服务端回应了客户端，第二次握手。
如果只有两次握手，那么到这里，连接就建立了，但是此时客户端并没有任何数据要发送，而服务端还在傻傻的等候佳音，造成很大的资源浪费。所以需要第三次握手，只有客户端再次回应一下，就可以避免这种情况。
四次挥手
同样直接上图（图片来源博主：SCU阳光）
过程：
数据传输完毕后，双方都可以释放连接。
此时客户端和服务器都是处于ESTABLISHED（已建立连接）状态，然后客户端主动断开连接，服务器被动断开连接。
第一次挥手：客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其***为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
第二次挥手：服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，确认序号ack=u+1，并且带上自己的***seq=v，此时服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。
TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
客户端收到服务器的确认请求后，此时客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最终数据），
第三次挥手：服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1 ACK=1，确认序号ack=v+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的***为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
第四次挥手：客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，确认序号为ack=w+1，而自己的***是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。
为什么要四次挥手?
四次挥手简化：
第一次：客户端 --> 服务器，告诉服务器我要断开连接了，发去释放报文；
第二次：服务器-->客户端， 服务器响应客户端的请求，发出确认报文，此时客户端让可以接受数据；
第三次：服务器-->客户端， 服务器数据发送完毕后，想客户端发送释放报文，告诉客户端你可以断开了；
第四次：客户端 -->服务器，客户端收到服务器的报文，发出确认报文，此时服务器知道客户端收到了自己的回应。
首先两次挥手是最基本的，客户端发送释放报文，服务端收到后发出确认报文，但是此时可能服务器还要数据要传送，所以客户端需要等待，等到服务器数据传输完成后，收到服务器发出的释放报文，但是客户端需要告告诉服务器我已经收到了，也就是发送确认报文，不然服务器一直等待，如果超时会继续发送一条释放报文。
为什么最后客户端还要等待 2*MSL的时间呢?
MSL（Maximum Segment Lifetime），TCP允许不同的实现可以设置不同的MSL值。
第一，保证客户端发送的最后一个ACK报文能够到达服务器，因为这个ACK报文可能丢失，站在服务器的角度看来，我已经发送了FIN+ACK报文请求断开了，客户端还没有给我回应，应该是我发送的请求断开报文它没有收到，于是服务器又会重新发送一次，而客户端就能在这个2MSL时间段内收到这个重传的报文，接着给出回应报文，并且会重启2MSL计时器。
第二，防止类似与“三次握手”中提到了的“已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中。客户端发送完最后一个确认报文后，在这个2MSL时间中，就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文。
如果已经建立了连接, 但是客户端突发故障了怎么办?
TCP设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75分钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。
参考：
https://baike.baidu.com/item/TCP/IP%E5%8D%8F%E8%AE%AE/212915
https://blog.csdn.net/sinat_36629696/article/details/80740678
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1614404084382122793&wfr=spider&for=pc