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本篇嘗試使用動畫來對這個知識點進行講解，期望讀者們可以更加簡單的理解 TCP 交互的本質(zhì)。

TCP 三次握手

TCP 三次握手就好比兩個人在街上隔著 50 米看見了對方，但是因為霧霾等原因不能 100% 確認，所以要通過招手的方式相互確定對方是否認識自己。

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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了點頭擠出了一個微笑(ack)。

張三看到李四微笑后確認了李四成功辨認出了自己(進入 estalished 狀態(tài))。

但是李四還有點狐疑，向四周看了一看，有沒有可能張三是在看別人呢，他也需要確認一下。

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方是在尋求自己的確認。

于是也點了點頭擠出了微笑(ack)，李四看到對方的微笑后確認了張三就是在向自己打招呼(進入 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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我們看到這個過程中一共是如下四個動作：

• 張三招手
• 李四點頭微笑
• 李四招手
• 張三點頭微笑

其中李四連續(xù)進行了 2 個動作，先是點頭微笑(回復(fù)對方)，然后再次招手(尋求確認)，實際上可以將這兩個動作合一，招手的同時點頭和微笑(syn+ack)。

于是四個動作就簡化成了三個動作，張三招手→李四點頭微笑并招手→張三點頭微笑。這就是三次握手的本質(zhì)，中間的一次動作是兩個動作的合并。

我們看到有兩個中間狀態(tài)，syn_sent 和 syn_rcvd，這兩個狀態(tài)叫做「半打開」?fàn)顟B(tài)，就是向?qū)Ψ秸惺至?，但是還沒來得及看到對方的點頭微笑。

syn_sent 是主動打開方的「半打開」?fàn)顟B(tài)，syn_rcvd 是被動打開方的「半打開」?fàn)顟B(tài)。客戶端是主動打開方，服務(wù)器是被動打開方。

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)傳輸就是兩個人隔空對話，差了一點距離，所以需要對方反復(fù)確認聽見了自己的話。

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張三喊了一句話(data)，李四聽見了之后要向張三回復(fù)自己聽見了(ack)。

如果張三喊了一句，半天沒聽到李四回復(fù)，張三就認為自己的話被大風(fēng)吹走了，李四沒聽見，所以需要重新喊話，這就是 TCP 重傳。

也有可能是李四聽到了張三的話，但是李四向張三的回復(fù)被大風(fēng)吹走了，以至于張三沒聽見李四的回復(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。

既然會重傳，李四就有可能同一句話聽見了兩次，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，因為 TCP 鏈接是「雙工的」，雙方都可以主動發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸。

不過無論是哪方喊話，都需要收到對方的確認才能認為對方收到了自己的喊話。

張三可能是個高射炮，一連說了八句話，這時候李四可以不用一句一句回復(fù)，而是連續(xù)聽了這八句話之后，一起向?qū)Ψ交貜?fù)說前面你說的八句話我都聽見了，這就是批量 ACK。

但是張三也不能一次性說太多話，李四的腦子短時間可能無法消化太多，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。

同一個來源發(fā)出來的不同數(shù)據(jù)包在「網(wǎng)際路由」上可能會走過不同的路徑，最終達到同一個地方時，順序就不一樣了。

操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)核模塊會負責(zé)對數(shù)據(jù)包進行排序，到用戶層時順序就已經(jīng)完全一致了。

TCP 四次揮手

TCP 斷開鏈接的過程和建立鏈接的過程比較類似，只不過中間的兩步并不總是會合成一步走。

所以它分成了如下 4 個動作：

• 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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之所以中間的兩個動作沒有合并，是因為 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，可是人還沒有走，只是不再說話，但是耳朵還是可以繼續(xù)聽，李四呢繼續(xù)喊話。

等待李四累了，也不再說話了，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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上面有一個非常特殊的狀態(tài) time_wait，它是主動關(guān)閉的一方在回復(fù)完對方的揮手后進入的一個長期狀態(tài)。

這個狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)時間是 4 分鐘，4 分鐘后才會進入到 Closed 狀態(tài)，釋放套接字資源。不過在具體實現(xiàn)上這個時間是可以調(diào)整的。

它就好比主動分手方要承擔(dān)的責(zé)任，是你提出的要分手，你得付出代價。這個后果就是持續(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 ack 報文，確保對方可以收到。因為如果對方?jīng)]有收到 ack 的話，會重傳 fin 報文，處于 time_wait 狀態(tài)的套接字會立即向?qū)Ψ街匕l(fā) ack 報文。

同時在這段時間內(nèi)，該鏈接在對話期間于網(wǎng)際路由上產(chǎn)生的殘留報文(因為路徑過于崎嶇，數(shù)據(jù)報文走的時間太長，重傳的報文都收到了，原始報文還在路上)傳過來時，都會被立即丟棄掉。

4 分鐘的時間足以使得這些殘留報文徹底消逝。不然，當(dāng)新的端口被重復(fù)利用時，這些殘留報文可能會干擾新的鏈接。

4 分鐘就是 2 個 MSL，每個 MSL 是 2 分鐘。MSL 就是 Maximum Segment Lifetime——最長報文壽命。

這個時間是由官方 RFC 協(xié)議規(guī)定的。至于為什么是 2 個 MSL 而不是 1 個 MSL，我還沒有看到一個非常滿意的解釋。

四次揮手也并不總是四次揮手，中間的兩個動作有時候是可以合并一起進行的。

這個時候就成了三次揮手，主動關(guān)閉方就會從 fin_wait_1 狀態(tài)直接進入到 time_wait 狀態(tài)，跳過了 fin_wait_2 狀態(tài)。

總結(jié)

TCP 狀態(tài)轉(zhuǎn)換是一個非常復(fù)雜的過程，本文僅對一些簡單的基礎(chǔ)知識點進行了類比講解。

關(guān)于 TCP 的更多知識還需要讀者去搜尋相關(guān)技術(shù)文章進入深入學(xué)習(xí)。如果讀者對 TCP 的基礎(chǔ)知識掌握得比較牢固，高級的知識理解起來就不會太過于吃力。

錢文品（老錢），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 等多種計算機語言，開發(fā)過游戲，制作過網(wǎng)站，寫過消息推送系統(tǒng)和 MySQL 中間件，實現(xiàn)過開源的 ORM 框架、Web 框架、RPC 框架等。運營個人公眾號碼洞（ID：codehole）。