本文分享自华为云社区《网络通信的神奇之旅：解密Linux TCP网络协议栈的工作原理》，作者： Lion Long 。
TCP，全称传输控制协议（Transmission Control Protocol），是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。
#include <sys/types.h> /* See NOTES */ #include <sys/socket.h> // 1 int socket(int domain, int type, int protocol); // 2 int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen); // 3 int listen(int sockfd, int backlog); // 4 ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags); // 5 int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); // 6 ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags); // 7 int close(int fd); // 8 int shutdown(int sockfd, int how);
#include <sys/types.h> /* See NOTES */ #include <sys/socket.h> // 1 int socket(int domain, int type, int protocol); // 2 int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen); // 3 int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen); // 4 ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags); // 5 ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags); // 6 int close(int fd); // 7 int shutdown(int sockfd, int how);
（1）int socket(int domain, int type, int protocol)
在文件系统中分配一个fd，并创建TCB数据结构。
（2）int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)
为TCP的socket绑定本地IP地址和端口。
（3）int listen(int sockfd, int backlog)
将TCP置于LISTEN状态。
（4）int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen)
从全连接队列中取出一个节点，并分配一个fd。
（5）ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags)
在对应fd中，从读缓冲区中拷贝出数据。
（6）ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags)
把fd对应的TCB数据拷贝到写缓冲区中。
（7）int close(int fd)
准备一个FIN包，放到写缓冲区，是否fd。
（8）int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)
准备一个SYN包，交给协议栈发送出去，等待三次握手完成后才返回。
TCP连接的建立主要依靠socket()、bind()、listen()、connect()、accept()这几个函数。
示意图：
三次握手在kernel协议栈中进行，那么三次握手是在哪几个函数中发送的呢？
第一次，由connect()函数触发 发起握手，也就是发送syn包到服务端；
第二次，在listen()之后accept()之前，服务器接收到syn包后发送syn&&ack包到客户端；
第三次，客户端发送ack包到服务端完成连接的建立。
TCP报头：
0 |1 |2 |3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 +-------------------------------+-------------------------------+ | Source Port | Destination Port | +---------------------------------------------------------------+ | Sequence Number | +---------------------------------------------------------------+ | Acknowledgment Number | +-------+-----------+-+-+-+-+-+-+-------------------------------+ | Header| Reserve |U|A|P|R|S|F| Window | | Length| |R|C|S|S|Y|I| | | | |G|K|H|T|N|N| | +-------------------------------+-------------------------------+ | Checksum | Urgent Pointer | +---------------------------------------------------------------+ | Option | +---------------------------------------------------------------+ | Data | | ... | +---------------------------------------------------------------+
从报文中可以看出，SYN包最重要的是将SYN位设为1，设置Sequence Number；ACK包最重要的是将ACK位设为1，设置Acknowledgment Number。
半连接队列和全连接队列：
在三次握手中，Linux kener 协议栈会维护两个队列：半连接队列和全连接队列。
半连接队列（也叫SYN队列）： 半连接队列在第一握手中，当客户端发送SYN包到服务端时，服务端的半连接队列会加入一个节点，表示此连接处于半连接状态。
全连接队列（也叫ACCEPT队列）： 全连接队列在第三握手中，当客户端发送ACK包到服务端时，服务端会检查半连接队列中是否存在此连接节点（通过五元组进行查找），如果存在就将此连接节点加入全连接队列中；否则将抛弃此连接。
accpt()函数在三次握手完成后，从全连接队列中取出连接节点，为节点分配socket fd，返回到用户态。
那么，accept()函数如何知道全连接队列中有节点呢？
当三次握手完成后，全连接队列创建节点的同时会释放一个有连接接入的信号（single或信号量），这个信号决定了accept()函数是否可以从全连接队列中取节点；也决定epoll等IO多路复用器能不能检查这个连接fd是否可读。
在阻塞模式下，accept()函数一直等待信号，直到全连接队列中有节点才返回。
在非阻塞模式下，全连接队列为空accept()函数就返回-1，否则返回socket fd。
在listen()函数有，有一个backlog参数，这个参数表示的是全连接队列的大小还是半连接队列的大小呢？
随着TCP协议的不断迭代，backlog参数在不同的版本中代表的含义也不相同；它可以是半连接队列大小，也可以是全连接队列大小，也可以是半连接队列+全连接队列的大小总和。不过，效果不会有太大差异。目前版本中主要表示全连接队列的大小。
DDOS攻击：
根据三次握手原理，产生一种对服务器的攻击方式：DDOS攻击。所谓DDOS攻击，就是客户端伪造一些不存在的IP，一直发送SYN包，使服务器的半连接队列不断增大，当半连接队列的大小达到极限时，造成网络阻塞就会导致服务器无法再接受连接，从而使服务器奔溃。
TCP状态转换图：
（1）从状态转换图看出，LISTEN状态可以通过发送SYN和数据转换到SYN_SEND状态；也就是LISTEN状态可以发送数据。
（2）SYN_SEND状态可以收到SYN，并发送SYN和ACK转换到SYN_RECV状态；也就是两个设备可以互发SYN包，建立连接。
TCP传输数据主要依靠send()和recv()两个函数。
使用send()函数发送数据时，返回正数不一定代表发送成功。因为send()函数仅仅只是将数据拷贝到协议栈的写缓冲区，由协议栈发送；发送过程中会经过N个网关，可能存在丢包或链路断开导致未能发送到目的地。如果要知道数据是否发送成功，需要加上确认机制（ACK）。
为了保证数据能正确分发，TCP使用一种TCB（传输控制块）的数据结构，把发送给不同设备的数据封装起来。这个TCB会存在整个TCP周期，知道断开连接。
一个TCB数据块包含数据发送双方对应的socket信息以及拥有存放数据的缓冲区。建立连接连接发送数据之前，通信双方必须做一个准备工作：分配内存建立TCB数据块。当双方准备好自己的socket和TCB数据结构后，就可以进入“三次握手”建立连接。
TCP分包就是要传输的数据很大，超出发送缓存区剩余空间，将会进行分包；待发送的数据大于最大报文长度，TCP在传输前将进行分包。
分包在应用程序的处理一般是发送循环send()，接收方循环recv()。
TCP粘包就是发送方发送的若干数据包到接收方接收时粘成一个包，从接收缓冲区看就是后数据包的头紧接着前数据包的尾。
常见解决方案：
（1）（推荐）应用层协议头前面添加包长度。分两次接收数据；第一次先接收包的长度，然后根据包的长度一次性读取或循环读取数据。
例如：
// ... ssize count=0; ssize size=0; while(count<tcpHdr->length) { size=recv(fd,buffer,buffersize,0); count+=size; } // ...
（2）为每个包添加分隔符。在数据末尾添加分隔符，这会导致解数据可能需要有合包操作；因为分割数据包后，需要记录后一个数据包，用于与该包后面部分数据进行合并。
断开连接是比建立连接和传输数据还复杂的一个过程，断开连接主要分为主动关闭和被动关闭两种。
四次挥手示意图：
需要注意的是，调用close()不是立即完成断开，而是关闭了数据传输，进入了四次挥手阶段，TCB数据结构还没有释放。四次挥手结束才真正把TCB释放。
根据四次挥手流程，可以思考一些问题：
（1）传输数据过程中，网线断了之后立刻连接，TCP如何知道？
网线掉线网卡会停止供电，再次连接后网卡恢复供电，网卡服务重启，网络连接重连。应用程序设计通过心跳包检测。
（2）服务器如何知道客户端是否宕机？
一样需要通过心跳包机制来检测。
（3）服务器如何甄别网络阻塞和宕机？
服务器发送心跳包时，不仅仅发一次，而是要发送多次的；如果是网络阻塞，那么在一定时间内一定有回复信息；如果是宕机，无论多长时间都没有客户端的回复。
（4）如果出现大量的CLOSING状态，如何处理？
出现大量CLOSING状态，基本上业务上要处理的逻辑过多，导致一直在CLOSING状态；可以使用异步，将网络层和业务层分离，单独处理。
（5）四次挥手中，为什么存在TIME_WAIT状态？
防止没有LAST_ACK或LAST_ACK丢失，导致一直重发已经不存在的socket。
需要掌握TCP三次握手和四次挥手的过程，熟悉TCP状态转换。清楚什么是SYN包和ACK包。
（1）三次握手是 由客户端发起SYN，服务端收到SYN后发送SYN和ACK，客户端回复ACK；完成连接的建立。
（2）断开连接主要有主动断开和被动断开。
（3）四次挥手是 由发起方调用close()，同时发送FIN包；接收端接收到FIN包返回ACK包，接收端发送FIN包；发起方接收到FIN包返回ACK包；完成断开。
（4）理解TCP的状态转换图。LISTEN状态到SYN_RCVD状态和SYN_SEND状态，如何进入ESTABLISHED状态；四次挥手FIN_WAIT_1、FIN_WAIT_2、TIME_WAIT、CLOSING直接的转换，CLOSE_WAIT和LAST_ACK的处理等。
（5）理解API的底层原理，以及全连接队列和半连接队列。
（6）TCP的分包场景以及TCP粘包的处理方式。
TCP通信完整过程：
