TCP三次握手和四次挥手

TCP数据段解析

报文在TCP连接中传输，会被分割成多个TCP段，使用IP分组承载，从一个IP地址传输到另外一个IP地址。
IP分组主要组成:

• IP首部
  • 主要包含了源IP地址和目标IP地址
• IP数据部分
  • TCP首部
  • TCP数据部分

这要主要对TCP首部说明一下

如下图所示：

image.png

• 序号seq: sequence number 占用3个字节，TCP连接中传送的字节流中每个自己都按照顺序编号，使用seq表示将要传送数据的第一个字节的序号。
  • 比如一段报文携带100字节，第一个字节的序号为301，那么下一个TCP段中的序列号级应该从401开始。
• 确认号：acknowledge number，占用4个字节，是期望收到对方下一个报文的第一数据字段的序号。
  • 比如A给B发送报文，B接收到的报文其序列号为101，数据长度为200字节，则表明B收到了从101-300序号的字节，那么B给A发送ack确认号的时候，就需要将ack置为301。
• 数据偏移： 数据偏移，占4位，它指出TCP报文的数据距离TCP报文段的起始处有多远
• 保留：占6位，保留今后使用，但目前应都位0；
• URG：紧急指针是否有效。为1，表示某一位需要被优先处理。
• ACK：仅当ACK=1时，确认号才有效。TCP规定在建立连接后，所有报文的传输都必须把ACK置为1。
• PSH：提示接收端应用程序立即从TCP缓冲区吧数据读走。
• RST：对方要求重新建立连接，复位。
• SYN：请求建立连接，并在其序列号字段进行序列号的初始值是设定（seq）.
  • 当SYN=1,ACK=0是表明是连接请求报文。若另一端同意，则在相应报文中应该使用SYN=1,ACK=1。
• FIN：用来释放连接。当FIN=1时，表明此报文的发送方数据已经发送完毕，并且要求释放TCP连接。

其中关于TCP连接的建立和断开，主要需要理解SYN，ACK，FIN，seq，ack

TCP建立连接的三次握手

示意图如下：

image.png

最开始的时候客户端和服务器都是处于CLOSED状态。主动打开连接的为客户端，被动打开连接的是服务器。

• 服务端进程创建传输模块TCB，时刻准备接受客户端进程的连接请求，此时服务端处于LISTEN（监听）状态。
• 第一次握手 客户端进程创建TCB模块向服务器发送请求连接报文。
  • 报文首部中的SYN置1，选择一个初始序列号seq=x。
  • 此时客户端进入SYN-SENT（同步已发送状态）。
  • TCP规定，SYN报文段（SYN=1时）不能携带数据，但是需要消耗掉一个序号。
• 第二次握手 TCP服务器接收到请求报文后，如果同意连接，则发出确认报文。
  • 确认报文中ACK=1,SYN=1，确认号ack=x+1(因为第一次发送的SYN报文段没有携带数据，所以ack = x+1),同时自己也初始化一个序列号seq=y。
  • 所以此时确认报文中为： SYN=1,ACK=1,ack=x+1,seq=y。
  • 此时服务器进入到SYN-RCVD（同步收到）状态。
  • 这个报文也不能携带数据，但是需要消耗一个序号。
• 第三次握手 客户端接收到确认报文后，还需要向服务器给出确认。
  • 确认报文中ACK=1，ack=y+1，seq=x+1(因为第一次握手传递的是seq=x，而且没有携带数据，所以这一次序号就为x+1)。
  • 此时TCP连接建立，客户端进入到ESTABLISHED（已建立连接）状态。
  • TCP规定，ACK报文段可以携带数据，但是如果不携带数据则不消耗序号。
• 当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态，从后双方就开始通过TCP连接传输数据。

为什么客户端最后还要发送一次确认？

主要是完成两个功能：

1. 双方都确认已经做好了发送数据的准备工作。
2. 允许双方就初始序列号进行协商，在握手过程中被发送和确认。

如果使用的是两次握手建立连接，假设有这样一种场景，客户端发送了第一个请求连接并且没有丢失，只是因为在网络结点中滞留的时间太长了，由于TCP的客户端迟迟没有收到确认报文，以为服务器没有收到，此时重新向服务器发送这条报文，此后客户端和服务器经过两次握手完成连接，传输数据，然后关闭连接。此时此前滞留的那一次请求连接，网络通畅了到达了服务器，这个报文本该是失效的，但是，两次握手的机制将会让客户端和服务器再次建立连接，这将导致不必要的错误和资源的浪费。
如果是采用三次握手的话，那一次失效的请求在到达服务端之后，服务端返回了确认报文，但是客户端没有再次发出 确认。服务器接收不到确认，那么就知道服务端并没有请求连接。

TCP断开连接的四次挥手

示意图如下：

image.png

数据传输完毕之后，双方都可以主动断开连接。断开连接前，双方都处于ESTABLISHED状态。

• 第一次挥手 客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。
  • 释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1）。
  • 此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。
  • TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
• 第二次挥手 服务器收到连接释放报文，发出确认报文。
  • ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时。
  • 服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。
  • TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
• 第三次挥手 客户端收到服务器的确认请求后。
  • 此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。
• 服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文。
  • FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
• 第四次挥手 客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认。
  • ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。
  • 注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗ *∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
• 服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。
  • 可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

为什么最后客户端最后需要等待2MSL？

MSL（Maximum Segment Lifetime），意为最大报文段生存时间，TCP允许不同的实现可以设置不同的MSL值。

因为在最后客户端发出确认后，报文传送到服务端需要时间，而且也可能丢失。
如果丢失的话，那么服务端在一定时间内没有收到客户端的确认回应，可能就判断客户端没有收到我的请求，会重新向客户端发送一次，此时客户端接收到之后，会重启2MSL计时器，然后再给服务端发送确认回应。

为什么连接只需要三次，但是断开需要四次？

因为在连接是，当服务端接收到客户端的连接请求之后，将SYN和ACK放在一个报文中发送给客户端。
而关闭连接是，服务端接受到客户端发送的FIN报文时，仅仅表示客户端不会在发送数据但是还能接收数据，而自己也未必将全部数据都发送给客户端了，所以首先发送一个ACK报文确认接收到客户端的断开请求，然后等待可能没有发送完的数据发送完毕之后，在发送FIN报文给客户端，表明自己也没有数据要发送了。因为FIN报文和ACK报文一般是分开发送，从而导致多了一步。

如果已经建立连接的情况下，但是客户端出现了故障怎么办？

TCP设有一个保活计时器。当客户端出现故障之后，服务端每收到一次客户端的请求就会重新复位计时器。通常为2个小时，如果没有接收到任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75秒发送一次。若连续发送了10次都没有反应，则认为客户端出现了问题，接着 服务器端关闭连接。

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