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本篇嘗試使用動(dòng)畫(huà)來(lái)對(duì)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解，期望讀者們可以更加簡(jiǎn)單的理解 TCP 交互的本質(zhì)。
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TCP 三次握手
TCP 三次握手就好比兩個(gè)人在街上隔著 50 米看見(jiàn)了對(duì)方，但是因?yàn)殪F霾等原因不能 100% 確認(rèn)，所以要通過(guò)招手的方式相互確定對(duì)方是否認(rèn)識(shí)自己。
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張三首先向李四招手(syn)，李四看到張三向自己招手后，向?qū)Ψ近c(diǎn)了點(diǎn)頭擠出了一個(gè)微笑(ack)。
張三看到李四微笑后確認(rèn)了李四成功辨認(rèn)出了自己(進(jìn)入 estalished 狀態(tài))。
但是李四還有點(diǎn)狐疑，向四周看了一看，有沒(méi)有可能張三是在看別人呢，他也需要確認(rèn)一下。
所以李四也向張三招了招手(syn)，張三看到李四向自己招手后知道對(duì)方是在尋求自己的確認(rèn)。
于是也點(diǎn)了點(diǎn)頭擠出了微笑(ack)，李四看到對(duì)方的微笑后確認(rèn)了張三就是在向自己打招呼(進(jìn)入 established 狀態(tài))。
于是兩人加快步伐，走到了一起，相互擁抱。
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我們看到這個(gè)過(guò)程中一共是如下四個(gè)動(dòng)作：
- 張三招手
- 李四點(diǎn)頭微笑
- 李四招手
- 張三點(diǎn)頭微笑
其中李四連續(xù)進(jìn)行了 2 個(gè)動(dòng)作，先是點(diǎn)頭微笑(回復(fù)對(duì)方)，然后再次招手(尋求確認(rèn))，實(shí)際上可以將這兩個(gè)動(dòng)作合一，招手的同時(shí)點(diǎn)頭和微笑(syn+ack)。
于是四個(gè)動(dòng)作就簡(jiǎn)化成了三個(gè)動(dòng)作，張三招手→李四點(diǎn)頭微笑并招手→張三點(diǎn)頭微笑。這就是三次握手的本質(zhì)，中間的一次動(dòng)作是兩個(gè)動(dòng)作的合并。
我們看到有兩個(gè)中間狀態(tài)，syn_sent 和 syn_rcvd，這兩個(gè)狀態(tài)叫做「半打開(kāi)」?fàn)顟B(tài)，就是向?qū)Ψ秸惺至?，但是還沒(méi)來(lái)得及看到對(duì)方的點(diǎn)頭微笑。
syn_sent 是主動(dòng)打開(kāi)方的「半打開(kāi)」?fàn)顟B(tài)，syn_rcvd 是被動(dòng)打開(kāi)方的「半打開(kāi)」?fàn)顟B(tài)?？蛻舳耸侵鲃?dòng)打開(kāi)方，服務(wù)器是被動(dòng)打開(kāi)方。
- syn_sent：syn package has been sent
- syn_rcvd：syn package has been received
TCP 數(shù)據(jù)傳輸
TCP 數(shù)據(jù)傳輸就是兩個(gè)人隔空對(duì)話，差了一點(diǎn)距離，所以需要對(duì)方反復(fù)確認(rèn)聽(tīng)見(jiàn)了自己的話。
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張三喊了一句話(data)，李四聽(tīng)見(jiàn)了之后要向張三回復(fù)自己聽(tīng)見(jiàn)了(ack)。
如果張三喊了一句，半天沒(méi)聽(tīng)到李四回復(fù)，張三就認(rèn)為自己的話被大風(fēng)吹走了，李四沒(méi)聽(tīng)見(jiàn)，所以需要重新喊話，這就是 TCP 重傳。
也有可能是李四聽(tīng)到了張三的話，但是李四向張三的回復(fù)被大風(fēng)吹走了，以至于張三沒(méi)聽(tīng)見(jiàn)李四的回復(fù)。
張三并不能判斷究竟是自己的話被大風(fēng)吹走了還是李四的回復(fù)被大風(fēng)吹走了，張三也不用管，重傳一下就是。
既然會(huì)重傳，李四就有可能同一句話聽(tīng)見(jiàn)了兩次，這就是「去重」?！钢貍鳌购汀溉ブ亍构ぷ髟诓僮飨到y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)核模塊都已經(jīng)幫我們處理好了，用戶層是不用關(guān)心的。
張三可以向李四喊話，同樣李四也可以向張三喊話，因?yàn)?TCP 鏈接是「雙工的」，雙方都可以主動(dòng)發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸。
不過(guò)無(wú)論是哪方喊話，都需要收到對(duì)方的確認(rèn)才能認(rèn)為對(duì)方收到了自己的喊話。
張三可能是個(gè)高射炮，一連說(shuō)了八句話，這時(shí)候李四可以不用一句一句回復(fù)，而是連續(xù)聽(tīng)了這八句話之后，一起向?qū)Ψ交貜?fù)說(shuō)前面你說(shuō)的八句話我都聽(tīng)見(jiàn)了，這就是批量 ACK。
但是張三也不能一次性說(shuō)太多話，李四的腦子短時(shí)間可能無(wú)法消化太多，兩人之間需要有協(xié)商好的合適的發(fā)送和接受速率，這個(gè)就是「TCP 窗口大小」。
網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的數(shù)據(jù)交互同人類之間的對(duì)話還要復(fù)雜一些，它存在數(shù)據(jù)包亂序的現(xiàn)象。
同一個(gè)來(lái)源發(fā)出來(lái)的不同數(shù)據(jù)包在「網(wǎng)際路由」上可能會(huì)走過(guò)不同的路徑，最終達(dá)到同一個(gè)地方時(shí)，順序就不一樣了。
操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)核模塊會(huì)負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行排序，到用戶層時(shí)順序就已經(jīng)完全一致了。
TCP 四次揮手
TCP 斷開(kāi)鏈接的過(guò)程和建立鏈接的過(guò)程比較類似，只不過(guò)中間的兩步并不總是會(huì)合成一步走。
所以它分成了如下 4 個(gè)動(dòng)作：
- 張三揮手(fin)
- 李四傷感地微笑(ack)
- 李四揮手(fin)
- 張三傷感地微笑(ack)
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之所以中間的兩個(gè)動(dòng)作沒(méi)有合并，是因?yàn)?TCP 存在「半關(guān)閉」?fàn)顟B(tài)，也就是單向關(guān)閉。
張三已經(jīng)揮了手，可是人還沒(méi)有走，只是不再說(shuō)話，但是耳朵還是可以繼續(xù)聽(tīng)，李四呢繼續(xù)喊話。
等待李四累了，也不再說(shuō)話了，朝張三揮了揮手，張三傷感地微笑了一下，才徹底結(jié)束了。
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上面有一個(gè)非常特殊的狀態(tài) time_wait，它是主動(dòng)關(guān)閉的一方在回復(fù)完對(duì)方的揮手后進(jìn)入的一個(gè)長(zhǎng)期狀態(tài)。
這個(gè)狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)時(shí)間是 4 分鐘，4 分鐘后才會(huì)進(jìn)入到 Closed 狀態(tài)，釋放套接字資源。不過(guò)在具體實(shí)現(xiàn)上這個(gè)時(shí)間是可以調(diào)整的。
它就好比主動(dòng)分手方要承擔(dān)的責(zé)任，是你提出的要分手，你得付出代價(jià)。這個(gè)后果就是持續(xù) 4 分鐘的 time_wait 狀態(tài)，不能釋放套接字資源(端口)，就好比守寡期，這段時(shí)間內(nèi)套接字資源(端口)不得回收利用。
它的作用是重傳***一個(gè) ack 報(bào)文，確保對(duì)方可以收到。因?yàn)槿绻麑?duì)方?jīng)]有收到 ack 的話，會(huì)重傳 fin 報(bào)文，處于 time_wait 狀態(tài)的套接字會(huì)立即向?qū)Ψ街匕l(fā) ack 報(bào)文。
同時(shí)在這段時(shí)間內(nèi)，該鏈接在對(duì)話期間于網(wǎng)際路由上產(chǎn)生的殘留報(bào)文(因?yàn)槁窂竭^(guò)于崎嶇，數(shù)據(jù)報(bào)文走的時(shí)間太長(zhǎng)，重傳的報(bào)文都收到了，原始報(bào)文還在路上)傳過(guò)來(lái)時(shí)，都會(huì)被立即丟棄掉。
4 分鐘的時(shí)間足以使得這些殘留報(bào)文徹底消逝。不然，當(dāng)新的端口被重復(fù)利用時(shí)，這些殘留報(bào)文可能會(huì)干擾新的鏈接。
4 分鐘就是 2 個(gè) MSL，每個(gè) MSL 是 2 分鐘。MSL 就是 Maximum Segment Lifetime——最長(zhǎng)報(bào)文壽命。
這個(gè)時(shí)間是由官方 RFC 協(xié)議規(guī)定的。至于為什么是 2 個(gè) MSL 而不是 1 個(gè) MSL，我還沒(méi)有看到一個(gè)非常滿意的解釋。
四次揮手也并不總是四次揮手，中間的兩個(gè)動(dòng)作有時(shí)候是可以合并一起進(jìn)行的。
這個(gè)時(shí)候就成了三次揮手，主動(dòng)關(guān)閉方就會(huì)從 fin_wait_1 狀態(tài)直接進(jìn)入到 time_wait 狀態(tài)，跳過(guò)了 fin_wait_2 狀態(tài)。
總結(jié)
TCP 狀態(tài)轉(zhuǎn)換是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，本文僅對(duì)一些簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了類比講解。
關(guān)于 TCP 的更多知識(shí)還需要讀者去搜尋相關(guān)技術(shù)文章進(jìn)入深入學(xué)習(xí)。如果讀者對(duì) TCP 的基礎(chǔ)知識(shí)掌握得比較牢固，高級(jí)的知識(shí)理解起來(lái)就不會(huì)太過(guò)于吃力。
錢(qián)文品（老錢(qián)），互聯(lián)網(wǎng)分布式高并發(fā)技術(shù)十年老兵，目前任掌閱服務(wù)端技術(shù)專家。熟練使用 Java、Python、Golang 等多種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)過(guò)游戲，制作過(guò)網(wǎng)站，寫(xiě)過(guò)消息推送系統(tǒng)和 MySQL 中間件，實(shí)現(xiàn)過(guò)開(kāi)源的 ORM 框架、Web 框架、RPC 框架等。運(yùn)營(yíng)個(gè)人公眾號(hào)碼洞（ID：codehole）。
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