TCP连接的“三次握手”和“四次挥手”

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TCP连接的“三次握手”和“四次挥手”

TCP的三次握手(Three-Way Handshake)

一、“三次握手”的详解

握手之前主动打开连接的客户端结束CLOSED阶段,被动打开的服务端也结束CLOSED阶段,并进入LISTEN阶段。随后开始“三次握手”:

  1. 首先客户端向服务端发送一段报文段,其中:

    • 标记为为SYN,表示“请求建立新连接”;
    • 序号为seq=x
    • 随后客户端进入SYN-SENT阶段。
  2. 服务器端接收到来自客户端的TCP报文之后,结束LISTEN阶段。并返回一段TCP报文,其中:

    • 标志位为SYNACK,表示“确认客户端的报文seq有效,服务器能正常接收客户端发送的数据,并同意创建新连接”(即告诉客户端,服务器收到了你的数据);
    • 序号为seq=y
    • 确认号为ack=x+1,表示收到客户端的序号seq并将其值加1作为自己确认好ack的值;随后服务器进入SYN-RCVD阶段。
  3. 客户端收到来自服务器端的确认收到数据的TCP报文之后,明确了客户端到服务器端的数据传输正常,结束SYN-SENT阶段。并返回最后一段TCP报文。其中:

    • 标志位为ACK,表示“确认收到服务器端同意连接的信号”(即告诉服务器,我知道你收到我发的数据了);
    • 序号为seq=x+1,表示搜到服务器端的确认号ack,并将其值作为自己的序号值;
    • 确认号为ack=y+1,表示收到服务器端序号seq,并将其值加1作为自己的确认好ack的值;
    • 随后客户端进入ESTABLISHED阶段。

二、为什么要进行第三次握手?

为了防止服务器端开启一些无用的连接增加服务器开销以及防止已失效的连接请求报文段又传送到了服务端,因而产生错误。

由于网络传输层是有延时的(要通过网络光纤和各种中间代理服务器),在传输过程中,比如和客户端发起了SYN=1创建连接的请求(第一次握手)。

如果服务端直接创建了这个连接并返回包含 SYN、ACK 和 seq 等内容的数据包给客户端,这个数据包因为网络传输的原因丢失了,丢失之后客户端就一直没有接收到服务器返回的数据包。

客户端可能设置了一个超时时间,时间到了就关闭连接创建的请求。再重新发出创建连接的请求,而服务端是不知道的,如果煤焦油第三次握手告诉服务端客户端收得到服务器端传输的数据的话,服务器端是不知道客户端有没有收到服务器端返回的信息的

这样没有给服务器太一个创建还是关闭连接端口的请求,服务器端的端口就一直开着,等到客户端因超时重新发出请求时,服务器就会重新开启一个端口连接。那么服务端上没有接收到请求数据的上一个端口就一直开着,从此以往,这样的端口多了,就会造成服务器端开销的严重浪费。

还有一种情况是已经失效的客户端发出的请求信息,由于某种原因传输到了服务端,服务器以为是客户端发出的有效请求,接收后产生错误。

所以我们需要“第三次握手”来确认这个过程,让客户端和服务器端能够及时地察觉到因为网络等一些问题导致的连接创建失败,这样服务器的端口就可以关闭了不用一直等待。

总结:“第三次握手”是客户端向服务器端发送数据,这个数据就是要告诉服务器,客户端有没有收到服务器“第二次握手”时传过去的数据。若发送的这个数据是“收到了”的信息,接收后服务器就正常建立 TCP 连接,否则建立 TCP 连接失败,服务器关闭连接端口。因此减少服务器开销和接收到失效请求发生的错误。

TCP 的四次挥手(Four-Way Wavehand)

一、“四次挥手”的详解

所谓的四次挥手即 TCP 连接的释放(解除)。连接的释放必须是一方主动释放,另一方被动释放。挥手之前主动释放连接的客户端结束 ESTABLISHED 阶段。随后开始“四次挥手”:

  1. 首先客户端想要释放连接,向服务器端发送一段 TCP 报文,其中:

    • 标记为为 FIN,表示“请求释放连接”;
    • 序号为 seq=u
    • 随后客户端进入FIN-WAIT-1阶段,即半关闭状态。并且停止在客户端到服务器端方向上发送数据,但是客户端仍然能接收从服务器端传输过来的数据。

    注意:这里不发送的是正常连接时传输的数据(非确认报文),而不是一切数据,所以客户端仍然能发送 ACK 确认报文。

  2. 服务器端接收到客户端发出的 TCP 报文之后,确认了客户端想要释放连接,随后服务器端结束 EATABLISHED 阶段,进入 CLOSE-WAIT 阶段(半关闭状态)并返回一段 TCP 报文,其中:

    • 标记为 ACK,表示“接收到客户端发送的释放连接的请求”;
    • 序号为 seq=v
    • 确认号为 ack=u+1,表示是在收到客户端报文的基础上,将其需要seq值加1作为本段报文确认号ack的值;
    • 随后服务器端开始准备释放服务器端到客户端方向上的连接。

    客户端收到从服务器端发出的 TCP 报文之后,确认了服务器收到了客户端发出的释放连接请求,随后客户端结束 FIN-WAIT-1 阶段,进入 FIN-WAIT-2 阶段。

    前两次挥手既让服务器端知道了客户端想要释放连接,也让客户端知道了服务端了解了自己想要释放连接的请求。于是,可以确认关闭客户端到服务器端方向上的连接了

  3. 服务器端自从发出 ACK 确认报文之后,经过 ** CLOSED-WAIT** 阶段,做好了释放服务器端到客户端方向上的连接准备,再次向客户端发出一段 TCP 报文,其中:

    • 标记位为 FIN,ACK,表示“已经准备好释放连接了”。注意:这里的 ACK 并不是确认收到服务器端报文的确认报文
    • 序号为 seq=w
    • 确认号为 ack=u+1,表示是在收到客户端报文的基础上,将其序号 seq 值加1作为本段报文确认号 ack 的值。

    随后服务器端结束 CLOSE-WAIT 阶段,进入 LAST-ACK 阶段。并且停止在服务器端到客户端的方向上发送数据,但是服务器端仍然能够接收从客户端传输过来的数据。

  4. 客户端收到从服务器端发出的 TCP 报文,确认了服务器端已做好释放连接的准备,结束 FIN-WAIT-2 阶段,进入 TIME-WAIT 阶段,并向服务器端发送一段报文,其中:

    • 标记位为 ACK,表示“接收到服务器准备好释放连接的信号”。
    • 序号为 seq=u+1,表示是在收到了服务器端报文的基础上,将其确认号 ack 值作为本段报文序号的值。
    • 确认号为 ack=w+1,表示是在收到了服务器端报文的基础上,将其序号 seq 值加1作为本段报文的确认号的值。

    随后客户端开始在 TIME-WAIT 阶段等待 2MSL,服务端收到客户端发出的 TCP 报文之后结束 LAST-ACK 阶段,进入 CLOSED 阶段。由此正式确认关闭服务器端到客户端方向上的连接。客户端等待完 2MSL 之后,结束 TIME-WAIT 阶段,进入 CLOSED 阶段,由此完成“四次挥手”。

    后两次挥手既让客户端知道了服务器端准备好释放连接了,也让服务器端知道了客户端了解了自己准备好释放连接了。于是,可以确认关闭服务器端到客户端方向上的连接了,由此完成四次挥手

与三次挥手一样,在客户端与服务端传输的 TCP 报文中,双方的确认号 ack 和 序号 seq 的值,都是在彼此 ack 和 seq 值的基础上进行运算的,这样做保证了 TCP 报文传输的连贯性,一旦出现某一方发出的 TCP 报文丢失,便无法继续挥手,一次确保四次挥手的顺利完成。

二、为什么握手是三次,挥手是四次

TCP 建立连接时之所以只需要三次握手,是因为在第二次握手过程中,服务器端发送给客户端的TCP报文是以 SYN 与 ACK 作为标志位的。SYN 是请求连接标志,表示服务器同意建立连接;ACK 是确认报文,表示告诉客户端,服务器端收到了它的请求报文。

即 SYN 建立连接报文与 ACK 确认接收报文是在同一次挥手当中传输的,所以三次握手不多也不少,正好让双方明确彼此信息互通。

TCP 释放连接时之所以需要四次握手,是因为 FIN 释放连接报文与 ACK 确认接收报文是分别由第二次和第三次挥手传输的。为何建立连接是一起传输,释放连接却要分开传输:

所以是,三次握手,四次挥手

三、为什么客户端在 TIME-WAIT 阶段要等 2MSL

为的是确认服务器端是否收到客户端发出的 ACK 确认报文

当客户端发出最后的 ACK 确认报文是,并不能确定服务器端能够收到该端报文。所以客户端在发送完 ACK 确认报文之后,会设置一个 2MSL 的计时器。MSL 指的是 Maximum Segment Lifetime:一段 TCP 报文在传输过程中的最大生命周期。2MSL 及时服务器端发出为 FIN 报文和客户端发出的 ACK 确认报文所能保持有效的最大时长。

服务器端在 1MSL 内没有收到客户端发出的 ACK 确认报文,就会再次向客户端发出 FIN 报文;

TCP 协议如何保证可靠传输

  1. 应用数据被分割成 TCP 认为最适合发送的数据块。
  2. TCP 给发送的每一个包进行编号,接收方对数据包进行排序,把有序数据传送给应用层。
  3. 校验和:TCP 将保持他首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和,目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到端的检验和有差错,TCP 将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段。
  4. TCP 的接收端会丢弃重复的数据。
  5. 流量控制:TCP 连接的每一方都有固定大小的缓冲空间,TCP 的接收端只允许发送端发送接收端缓冲区能接纳的数据。当接收方来不及处理发送方的数据,能提示发送方降低发送的速率,防止包丢失。TCP 使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。(TCP 利用滑动窗口实现流量控制)
  6. 拥塞控制:当网络拥塞是,减少数据的发送。
  7. ARQ 协议:也是为了实现可靠传输的,他的基本原理是每发完一个分组就停止发送,等待对方确认。在收到确认后再发下一个分组。
  8. 超时重传:当 TCP 发出一个段后,它启动一个定时器,等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认,将重发这个报文段。