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概述
TCP是面向连接的传输层层协议，可以为应用层提供可靠的数据传输服务。所谓的面向连接并不是真正意思上的连接，只不过是在发送数据之前，首先得相互握手，也就是说接收方知道你要发数据给它了。而UDP是面向无连接的传输层协议，并不提供可靠的数据传输。有一个很恰当的比喻：UDP传输就类似于写信，接收方事先并不知道你要写信给他；而TCP传输就像是打电话，必须等对方按了接听键你才能更他通话。
TCP（Transmission Control Protocol），又叫传输控制协议。 TCP协议是面向连接的，可靠的，基于字节流的传输协议。在基于 TCP 进行通信时，通信双方需要先建立一个 TCP 连接，建立连接需要经过三次握手，断开连接的时候需要经过四次挥手。
TCP协议
TCP头部
对于 TCP 头部来说，以下几个字段是很重要的:
序列号（Sequence number）
这个序号保证了 TCP 传输的报文都是有序的，对端可以通过序号顺序的拼接报文
确认号（Acknowledgement Number）
这个序号表示数据接收端期望接收的下一个字节的编号是多少，同时也表示上一个序号的数据已经收到
窗口大小（Window Size）
表示还能接收多少字节的数据，用于流量控制
标识符
- ACK=1 ：该字段为一表示确认号字段有效。此外，TCP 还规定在连接建立后传送的所有报文段都必须把 ACK 置为一。
- SYN=1：当SYN=1，ACK=0时，表示当前报文段是一个连接请求报文。当SYN=1，ACK=1时，表示当前报文段是一个同意建立连接的应答报文。
- FIN=1：该字段为一表示此报文段是一个释放连接的请求报文。
- URG=1 : 该字段为一表示本数据报的数据部分包含紧急信息，是一个高优先级数据报文，此时紧急指针有效。紧急数据一定位于当前数据包数据部分的最前面，紧急指针标明了紧急数据的尾部。
- PSH=1 ：该字段为一表示接收端应该立即将数据 push 给应用层，而不是等到缓冲区满后再提交。
- RST=1：该字段为一表示当前 TCP 连接出现严重问题，可能需要重新建立 TCP 连接，也可以用于拒绝非法的报文段和拒绝连接请求。
三次握手
简单的说：
第一次握手
- SYN = 1， seq(client) = x
- 客户端向服务端发送连接请求报文段。该报文段中包含自身的数据通讯初始序号。请求发送后，客户端便进入 SYN-SENT 状态。
第二次握手
- SYN = 1，ACK = 1，确认序号 = x+1, seq(server) = y
- 服务端收到连接请求报文段后，如果同意连接，则会发送一个应答，该应答中也会包含自身的数据通讯初始序号，发送完成后便进入 SYN-RECEIVED 状态
第三次握手
- ACK = 1，确认序号 = y+1, seq(client) = x + 1
- 客户端收到连接同意的应答后，还要向服务端发送一个确认报文。客户端发完这个报文段后便进入ESTABLISHED 状态，服务端收到这个应答后也进入 ESTABLISHED 状态，此时连接建立成功。
为什么不用两次握手？
主要是为了防止已经失效的连接请求报文突然又传送到了服务器，从而产生资源浪费。
采用两次握手，那么若Client向Server发起的包A1如果在传输链路上遇到的故障，导致传输到Server的时间相当滞后，在这个时间段由于Client没有收到Server的对于包A1的确认，那么就会重传一个包A2，假设服务器正常收到了A2的包，然后返回确认B2包。由于没有第三次握手，这个时候Client和Server已经建立连接了。再假设A1包随后在链路中传到了Server，这个时候Server又会返回B1包确认，但是由于Client已经清除了A1包，所以Client会丢弃掉这个确认包，但是Server会保持这个相当于“僵尸”的连接，造成Server的网络资源浪费。
如果你用过对讲机你就会明白：
- C ->S: 你能听到吗？
- S->C: 听到。你能听到我吗？
- C->S:听到。
如果采用的是三次握手，就算是那一次失效的报文传送过来了，服务端接受到了那条失效报文并且回复了确认报文，但是客户端不会再次发出确认。由于服务器收不到确认，就知道客户端并没有请求连接，就不会建立新的连接造成资源浪费。
四次挥手
TCP 是全双工的，在断开连接时两端都需要发送 FIN 和 ACK。
第一次挥手
- 若客户端 A 认为数据发送完成，则它需要向服务端 B 发送连接释放请求。
第二次挥手
- B 收到连接释放请求后，会告诉应用层要释放 TCP 链接。然后会发送 ACK 包，并进入 CLOSE_WAIT 状态，表示 A 到 B 的连接已经释放，不接收 A 发的数据了。但是因为 TCP 连接时双向的，所以 B 仍旧可以发送数据给 A。
第三次挥手
- B 如果此时还有没发完的数据会继续发送，完毕后会向 A 发送连接释放请求，然后 B 便进入LAST-ACK状态。
- PS：通过延迟确认的技术（通常有时间限制，否则对方会误认为需要重传），可以将第二次和第三次挥手合并，延迟 ACK 包的发送。
第四次挥手
- A 收到B返回的释放请求后，向 B 发送确认应答，此时 A 进入 TIME-WAIT 状态。该状态会持续 2MSL（最大段生存期，指报文段在网络中生存的时间，超时会被抛弃） 时间，若该时间段内没有 B 的重发请求的话，就进入 CLOSED 状态。当 B 收到确认应答后，也便进入 CLOSED 状态。
A：我开始断开了。 B：我收到， 你可以断开了。断开了输出流，输入流还没关闭。 B：发送完所有数据后， 我服务器开始断开了，持续发送FIN命令。 A：发送ACK命令后， 就真的断开了。
挥手和握手相关问题
1. 为什么 A 要进入 TIME-WAIT 状态，等待 2MSL 时间后才进入 CLOSED 状态？
为了保证 B 能收到 A 的确认应答。若 A 发完确认应答后直接进入 CLOSED 状态，如果确认应答因为网络问题一直没有到达，那么会造成 B 不能正常关闭。
如果A发送完ACK应答之后直接进入CLOSED状态的话，如果因为网络延迟问题这个应答丢失或在2MSL内还没有到达B的话，那么B等待超时之后就会重新发送一个FIN包，但是此时A已经关闭了，永远得不到A的响应，从而导致B永远不能正常关闭
2. 为什么需要TIME_WAIT状态
第一：为实现TCP这种全双工连接的可靠释放
这样可让TCP再次发送最后的ACK以防这个ACK丢失(另一端超时并重发最后的FIN)这种2MSL等待的另一个结果是这个TCP连接在2MSL等待期间，定义这个连接的插口(客户的IP地址和端口号，服务器的IP地址和端口号)不能再被使用。这个连接只能在2MSL结束后才能再被使用。
第二：为使旧的数据包在网络因过期而消失
每个具体TCP实现必须选择一个报文段最大生存时间MSL。它是任何报文段被丢弃前在网络内的最长时间。
3. 为什么建立连接是三次握手，关闭连接确是四次挥手呢？
- 建立连接的时候， 服务器在LISTEN状态下，收到建立连接请求的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，服务器收到对方的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，而自己也未必全部数据都发送给对方了。
拥塞处理
拥塞处理包括了四个算法，分别为：慢开始，拥塞避免，快速重传，快速恢复。
为什么TCP这么复杂?
因为既要保证可靠性, 同时又要尽可能提高性能。
保证可靠性的机制
- 校验和
- 序列号(按序到达)
- 确认应答
- 超时重传
- 连接管理
- 流量控制
- 拥塞控制
提高性能的机制
- 滑动窗口
- 快速重传
- 延迟应答
- 捎带应答
定时器
- 超时重传定时器
- 保活定时器
- TIME_WAIT定时器
基于 TCP 的应用层协议
- HTTP
- HTTPS
- SSH
- Telnet
- FTP
- SMTP
TCP 包大小
我们在用Socket编程时，UDP协议要求包小于64K。TCP没有限定，TCP包头中就没有“包长度”字段，而完全依靠IP层去处理分帧。这就是为什么TCP常常被称作一种“流协议”的原因，开发者在使用TCP服务的时候，不必去关心数据包的大小，只需讲SOCKET看作一条数据流的入口，往里面放数据就是了，TCP协议本身会进行拥塞/流量控制。
TCP的核心API
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获取本地地址和端口号
java.net.Socket为套接字类，其提供了很多方法，其中我们可以通过Socket获取本地的地址以及端口号。
- int getLocalPort()，该方法用于获取本地使用的端口号。
- InetAddress getLocalAddress()，该方法用于获取套接字绑定的本地地址。
使用InetAddress获取本地的地址方法：
- String getCanonicalHostName()，获取此IP地址的完全限定域名。
- String getHostAddress()，返回IP地址字符串（以文本表现形式）。
获取远端地址和端口号
通过Socket获取远端的地址以及端口号。
- int getPort()，该方法用于获取远端使用的端口号。
- InetAddress getInetAddress()，该方法用于获取套接字绑定的远端地址。
获取网络输入流和网络输出流
通过Socket获取输入流与输出流，这两个方法是使用Socket通讯的关键方法。
- InputStream getInputStream()，该方法用于返回此套接字的输入流。
- OutputStream getOutputStream()，该方法用于返回此套接字的输出流。
close方法
当使用Socket进行通讯完毕后，要关闭Socket以释放系统资源。
- close()，关闭此套接字。当关闭了该套接字后也会同时关闭由此获取的输入流与输出流。
Socket通信模型
Server端ServerSocket监听
java.net.ServerSocket是运行于服务端应用程序中。通常创建ServerSocket需要指定服务端端口号，之后监听Socket的连接：
//创建ServerSocket并申请服务端口8088
ServerSocket server = new ServerSocket(8088);
//方法会产生阻塞，直到某个Socket连接，并返回请求连接的Socket
Socket socket = server.accept();
Client端Socket连接
当服务端创建ServerSocket并通过accept()方法侦听后，我们就可以通过在客户端应用程序中创建Socket来向服务端发起连接。 需要注意的是，创建Socket的同时就发起连接，若连接异常会抛出异常。
//参数1：服务端的IP地址，参数2：服务端的服务端口
Socket socket = new Socket("localhost",8088);
Nagle 算法
TCP/IP协议中，无论发送多少数据，总是要在数据前面加上协议头，同时，对方接收到数据，也需要发送ACK表示确认。为了尽可能的利用网络带宽，TCP总是希望尽可能的发送足够大的数据。Nagle算法就是为了尽可能发送大块数据，避免网络中充斥着许多小数据块。
// 但是对于实时交互性高的程序，建议其改为 true，即关闭 Nagle 算法，客户端每发送一次数据，无论数据包大小都会将这些数据发送出去
clientSocket.setTcpNoDelay(true);
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