TCP是什么

网络游戏

网络游戏类型

对等的客户端与服务端
- 周期短
- 游戏核心逻辑算法独立于玩家客户端上运行
- 基于局域网

对等的客户端和服务端

基于大厅的网络游戏
- 大厅仅负责把不同的客户端撮合到一起
- 在与大厅相连的游戏数据库中存放玩家账户信心以及积分信息
- 每个玩家即可充当服务端也可充当客户端

基于大厅的网络游戏

纯C/S结构的网络游戏

网络协议

TCP/IP起源于美国国防部

OSI模型

IP模型

数据进入协议栈的封装

IP网际协议

TCP是以太网协议和IP协议的上层协议，也是应用协议的下层协议。最底层的以太网协议（Ethernet）规定了电子信号如何组成数据包（packet），解决子网内网点对点通信。但是，以太网不能解决多个局域网之间的互通，这个就由IP来解决了。

IP（Internet Protocol Suite，网际协议簇）可连接多个局域网，IP定义了一套自己的地址规则，称为IP地址。IP实现了路由功能，允许局域网主机之间发送消息。路由器就是基于IP协议的，局域网互通要靠路由器连接。

路由的原理很简单，市场上所有的路由器，背后都有很多网口，要接入多根网线。路由器内部有一张路由表，规定A段IP地址走出口1，B段地址走出口2....，通过这套“指路牌"，实现数据包的转发。

路由

IP特点

不可靠 unreliable
无连接 connectionless

IP数据报格式首部字段

BigEndian
网络数据都是按照BigEndian来传输的

BigEndian

/**
 * 32位4字节的整数值1在计算机编码表示为十六进制 0X 00 00 00 01
 * 大端系统内存中的表示为 01 00 00 00 BigEndian
 * 小端系统内存中的表示为 00 00 00 01 LittleEndian
 * */
union EndianTest
{
    int8_t u[4];
    int32_t i;
}
static bool isLittleEndianSystem()
{
    EndianTest et;
    et.i = 1;
    return et.u[0] == 1;
}

TCP

IP协议只是一个地址协议，并不保证数据包的完整。如果路由器丢包，比如缓存满了，新进来的数据包就会丢失。此时就需要发现丢了哪个包，以及如何重新发送这个包。这时候就要依靠TCP协议。

简单来说，TCP协议的作用就是保证数据通信的完整性和可靠性，防止丢包。

TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)是一种面向连接、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由RFC 793定义。

由于IP的特点是无连接不可靠，TCP是如何利用IP的呢？

TCP将应用程序的传输数据分割为合适的数据块（报文段）
定时器timer
延迟确认
校验和
流量控制

TCP与IP

以太网数据包

以太网数据包（packet）的大小是固定的，最初是1518bytes，后增加到1522bytes。其中1500bytes是负载（payload），22bytes是头信息（head）。

Ethernet packet 1522bytes = 22bytes + 1500bytes

IP数据包在以太网数据包的负载里面，有自己的头信息，最少20bytes，所以IP数据包的负载最多为1500 - 20 = 1480bytes。

IP packet 1500bytes = 20bytes + 1480bytes

TCP数据包在IP数据包的负载（payload）里面，其头信息（head）最少也需20bytes，因此TCP数据包的最大负载是1480-20=1460bytes。由于IP和TCP协议往往有额外的头信息，所以TCP负载实际为1400bytes左右。

TCP packet 1480bytes = 20bytes + 1460bytes

数据包

IP数据包在以太网数据包里面，TCP数据包在IP数据包里面

因此，一条1500bytes的信息需要2个TCP数据包。HTTP/2协议的一大改进就是压缩HTTP协议的头信息，使得HTTP请求可放在TCP数据包中，而不是分成多个，这样也就提高了速度。

一个包1460bytes，一次性发送大量数据，就必须分成多个包。比如，一个10MB文件，需要发送 10 * 1024 * 1024 / 1460 = 7182 个包。

TCP报文段的编号

发送时TCP为每个包编号（sequence number，简称SEQ）以便接收方按照顺序还原，万一发生丢包，也可以知道丢失的是那个包。

第一个包的编号是一个随机数，每个数据包包含两个编号，自身编号以及下一个包的编号。接收方由此得知，应按照何种顺序将它们还原为原始文件。

数据包的编号

接收方收到TCP数据包以后，组装还原是操作系统完成的，应用程序不会直接处理TCP数据包。

对于应用程序来所，不关心数据通信的细节。除非线路异常，收到的总是完整的数据。

应用程序需要的数据放在TCP数据包里面，均有自己的格式，例如HTTP协议。

TCP并没有提供任何机制，表示原始文件的大小，这由应用层的协议来规定。比如HTTP就有一个头信息Content-Length，表示信息体的大小。对于操作系统而言，就是持续地接收TCP数据包，将它们按顺序组装太，并且一个包都不能少。

操作系统不会去处理TCP数据包里面的数据，一旦组装好TCP数据包，就将其转交给应用程序。TCP数据包里面有一个端口port参数，就是用来指定转交给监听该端口的应用程序。

TCP 报文段首部

TCP传送的数据单位协议是TCP报文段（segment）
TCP是面向连接的传输层协议，每条TCP连接只能有2个端点（endpoint），每条TCP连接只能是点对点的（一对一）。
TCP提供可靠交付的服务
TCP提供全双工通信并面向字节流

TCP

源端口号 SourcePort
16位2字节，源端口号和源主机IP地址共同标识主机的应用进程
目标端口DestinationPort
16位2字节，目标端口号和目标主机IP地址共同标识目标主机的应用进程
端口是传输层与应用层的服务接口，传输层的复用和分用功能都要通过端口才能实现。
表示数据从哪个进程来到哪个进程去
序列号Sequence Number
32位序号，用于对发送的字节流进行计数，表示发送端报文段中第一个数据字节的顺序号。
占4bytes，TCP连接中传送的数据流中的每个字节都编上一个序号，序号字段的值则指的是报文段所发送的数据的第一个字节的序号。
TCP报头长度
4位首部长度，数据偏移/首部长度，指出TCP报文段的数据起始距离，即TCP报文段的起始处有多远。数据偏移的单位是32bit = 4bytes。
保留位
占6位，保留为今后使用，目前为0。
控制位
6位标志

URG 
标识紧急指针是否有效
当`URG=1`时表明紧急指针字段有效，告诉系统此报文段中有紧急数据，因尽快传送，相当于优先级。

ACK 
标识确认序号是否有效
`ACK=1`时确认号字段才有效，当`ACK=0`时确认号无效。

PSH 
提示接收端应用程序立即将数据从TCP缓冲区读走
接收TCP收到`PSH=1`的报文段，就尽快地交付接收应用进程，而不再等到整个缓存都填满了再向上交付。

RST 
要求重新建立连接，把含有RST标识的报文称为复位报文符。
`RST=1`时表明TCP连接中出现严重差错，例如由于主机崩溃或其他原因，必须释放连接然后再重新建立运输连接。

SYN 
请求建立连接，把含有SYN标识的报文称为同步报文段。
同步`SYN=1`时表示一个连接请求或连接接收报文

FIN 
通知对端，本端即将关闭，把含有FIN标识的报文称为结束报文符。
用来释放一个连接，`FIN=1`表明此报文段发送端的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。

确认号
占4bytes，是期望收到对方的下一个报文段的数据的第一个字节的序号。

校验和
占2bytes，校验和字段校验的范围包括首部和数据两部分，在计算检验和时要在TCP报文段前加上12bytes的伪首部。
紧急指针
占16位，指出本报文段中紧急数据共有多少个字节，紧急数据放在本报文段数据的最前面。
选项
长度可变，TCP最初只规定了一种选项，即最大报文段长度MSS（Maximum Segment Size），MSS告诉对方TCP”我的缓存所能接收的报文段的数据字段的最大长度是MSS个字节“，MSS是TCP报文段中的数据字段的最大长度，数据字段加上TCP首部才等于整个TCP报文段。
填充
为了使整个首部长度是4bytes的整数倍
窗口扩大
占3bytes，其中有一个字节表示移位值S，新窗口值等于TCP首部的窗口位数增大到16+S，相当于把窗口值向左移动S位后获得实际的窗口大小。
时间戳
占10bytes，最主要的字段时间戳字段4bytes和时间戳会送回答字段4bytes
选择确认
接收方收到和前面字节流不连续的2bytes，如果这些字节的序号都在接收窗口之内，那么接收方就先收下这些数据，但是要把这些信息准确地告诉发送方，使发送方不要再重复发送这些已收到的数据。

TCP状态

LISTEN(S)
服务器等待客户端前来连接
SYN-SEND(C)
客户端尝试连接服务器
SYN-RECEIVED(S)
服务器确认首次连接
ESTABLISHED(SC)
服务器和客户端建立连接，双方可以发送数据，为常态。
FIN-WAIT-1(SC)
等待对方关闭
FIN-WAIT-2(SC)
等待对方关闭
CLOSE-WAIT(SC)
等待自己应用程序关闭
CLOSING(SC)
等待对方确认确认自己的关闭
LAST-ACK(SC)
等待最后一次确认消息
TIME-WAIT(SC)
确认对方收到自己的关闭消息，服务器慎用。
CLOSED(SC)
实际是一个不存在的状态

TCP状态转换

TCP状态变迁

服务器TCP所经历的典型的TCP状态序列

TCP通信

TCP通信过程包括三个步骤

建立TCP连接通道（三次握手）
数据传输
断开TCP连接通道（四次握手）

TCP通信过程

TCP建立连接

所谓三次握手（Three-Way Handshake）就是建立TCP连接，就是说建立一个TCP连接时，需要客户端和服务器总共发送3个包以确认连接的建立。在socket变成中，此过程由客户端执行connect来触发。

TCP建立连接为什么要进行三次握手（Three-Way Handshake）呢？

为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到服务端所产生错误

当客户端发出第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某个网络节点长时间的滞留，以至于延误到连接释放以后的某个时间点才到达服务器。

本来这是一个早已失效的报文段，但服务端收到此失效的连接请求报文段后，误以为是客户端再次发出的一个新的连接请求。于是向客户端发出确认报文段，同意建立连接。

假设不采用三次握手，那么只要服务器发出确认，新的连接就建立了。由于现在客户端并没有发出建立连接的请求，因此不会理睬服务器的确认，也不会像服务器发送数据。但是服务器却以为新的运输连接已经建立，并一直等待客户端发来请求。这样，服务器的很多资源就会白白浪费掉了，采用三次握手可防止上述情况。

三次握手

第1次握手
1. 客户端将同步标志位SYN置为1 SYN=1
2. 客户端随机产生一个序列号seq=J，将该数据包发送给服务器。
3. 客户端进行SYN_SEND状态，等待服务器确认信息。
第2次握手
1. 服务器收到数据包后，由同步标志位SYN=1得知客户端请求建立连接。
2. 服务器将同步标志位SYN和确认标志位ACK置为1 SYN=1 ack=J+1，并随机产生一个序列号seq = K,然后将该数据包发送给客户端以确认连接请求。
3. 服务器进入SYN_RCVD状态
第3次握手
1. 客户端收到确认后检查ack是否为J+1,ACK是否为1。如果正确则将确认标志位ACK置为1 ack=K+1，并将该数据包发送给服务器。
2. 服务器检查ack是否为K+1并检查ACK是否为1，若正确则连接建立成功。
3. 客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。随后客户端和服务器之间可以开始传输数据了。

简单来说，就是

建立连接时，客户端发送SYN包SYN=1到服务器，并进入SYN-SEND状态，等待服务器确认。
服务器收到SYN包，必须确认客户端的SYNack=i+1后，发送一个SYN包SYN=k即SYN+ACK包，此时服务端进入SYN-RECV状态。
客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACKack=k+1，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，然后开发相互传送数据。

TCP连接确认

SNY攻击

在三次握手过程中，服务器发送SYN-ACK之后，收到客户端ACK之前的TCP连接称为半连接（half-open connect），此时服务器处理SYN-REVD状态。当收到ACK后，服务器转入ESTABLISHED状态。

SYN攻击就是客户端在短时间内伪造大量不存在的IP地址，并向服务器不断地发送SYN包，服务器回复确认包，并等待客户端确认，由于源地址不存在。因此服务器需要不断重发直至超时，这些伪造的SYN包将产生时间占用未连接队列，导致正常的SYN请求因为队列满而被丢弃，从而引起网络堵塞甚至瘫痪。SYN攻击时一种典型的DDOS攻击，检测SYN攻击的方式非常简单，即当服务器上有大量半连接状态且源IP地址是随机的，则可以断定遭到SYN攻击了。

// 检测是否遭到SYN攻击
$ netstat -nap | grep SYN_RECV

四次挥手

所谓四次挥手（Four-Way Wavehand）即终止TCP连接，也就是断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端发送4个包以确认连接断开。在socket编程中，此过程是由客户端或服务端任意一方执行close来触发。

四次挥手

第1次挥手
客户端发送一个FIN用来关闭客户端到服务器的数据传送，客户端进入FIN_WAIT_1状态。
第2次挥手
服务器收到FIN后发送一个ACK给客户端，确认序列号为收到序号+1，与SYN相同一个FIN占用一个序列。服务器进入CLOSE_WAIT状态。
第3次挥手
服务器发送一个FIN用来关闭服务器到客户端的数据传送，服务器进入LAST_ACK状态。
第4次挥手
客户端收到FIN后进入TIME_WAIT状态，然后发送一个ACK给服务器，确认序号为收到序号+1，服务器进入CLOSED状态完成四次挥手。

由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭，即发送方和接收方都需要FIN和ACK。这个原则是当一方完成它的数据发送任务后发送一个FIN来终止这个方向的连接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动。一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。

TCP通信过程

为什么建立连接是三次握手而关闭连接却是四次挥手呢？

因为服务器在LISTEN状态下，收到简历连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时，但收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了，但是还能接收数据。己方也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以理解关闭，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此己方ACK和FIN一般都会分开发送。

四次挥手

为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL（最大报文段生存时间）才能返回CLOSE状态？

保证TCP协议的全双工连接能够可靠关闭
如果客户直接关闭，那么由于IP协议的不可靠性或其他网络原因，导致服务器没有收到客户端最后回复的ACK，那么服务器会在超时之后继续发送FIN，此时由于客户端已经关闭了，就找不到与重发的FIN对应的连接，最后服务器会受到RST而不是ACK。服务器会以为是连接错误，然后把问题报告给高层，这样的情况虽然不会造成数据丢失，但是却导致TCP不符合可靠连接的要求。所以，客户端不是直接进入CLOSED，而是要保持TIME_WAIT，但再次收到FIN时能够保证双方收到ACK，最后正确的关闭连接。
保证此次连接的重复数据段从网络中消失
如果客户端直接CLOSED，然后又再次向服务器发起一个新连接，不能保证这个新连接与刚关闭的连接的端口号是不同的，也就是说有可能新连接和老连接的端口号是相同的。一般来说不会发生什么问题，但是还是存在特殊情况的出现。假设新连接和已经关闭的老连接的端口号是一样的，如果前一次连接的某些数据仍然滞留在网络中，这些延迟数据在建立新连接之后才能到达服务器，由于新连接和老连接的端口号是一样的，又因为TCP协议判断不同连接的依据是socket pair。于是，TCP协议就认为那个延迟的数据是属于新连接的，这样就和真正的新连接的数据包发生混淆了。所以TCP连接还要在TIME_WAIT状态等待2倍的MSL，这样保证本次的所有连接都从网络中消失。

2MSL

TCP数据相互双送

交互式与成块的数据两种
时间延迟确认
Nagle算法（游戏开发一般关闭这个算法）
接收窗口大小

Socket编程

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