TCP/IP三次握手過程 2010-01-23
21:27:06
分類： 系統運維
TCP 連接的建立和終止過程
TCP連接是面向連接的，所謂的面向連接就是，當計算機雙向通信時必需先建立連接，然後才能進行數據的傳輸，最後還要拆除連接。而同在一個網絡層的UDP傳輸，是面向非連接的傳輸，也不是可靠的。
TCP建立連接需要三次握手的過程，而拆除連接需要四次握手的過程。
TCP連接的建立：
1.服務器必須準備好接受外來的連接，這通過調用socket,bind,和listen函數來完成，稱爲被動打開。
2.客戶通過調用connect進行主動打開，這引起客戶TCP發送一個SYN（Synchronize）分節（表示同步 SYN=J），它告訴服務器客戶將在連接中發送的數據的初始序列號，一般情況下SYN分節不攜帶數據，它只包含有一
個IP頭部，一個TCP頭部，可能還有TCP選項。這時客戶端進入SYN_SEND狀態，並等待服務器確認。
3. 服務器必須確認客戶的SYN，同時自己也要發送一個SYN分節，它含有服務器將在同一個連接中發送的數據的初始序列號，服務器向客戶發送一個SYN（SYn=K）和對客戶的ACK（J+1）。也就是SYN+ACK包。這裏服務器
進入SYN_RECV狀態。
4 客戶必須確認服務器的SYN。這裏會向服務器發送確認包ACK（ack = K+1），此包發送完畢，客戶端和服務器專進入ESTABLISHED狀態。至此，三次握手完成，TCP連接建立。
完成三次握手，客戶端和服務器開始傳輸數據。在握手過程中，ACK裏的確認號爲發送這個 ACK的一方所期待的對方的下一個序列號。因爲SYN只佔一個字節的序列號空間，所以每一個SYN的ACK中的確認號都是相應的初始序列號加1，每一個FIN的ACK的確認號爲FIN的序列號加1、
在這過程中，還有一些重要的概念需要能明白。
SYN：同步標誌
同步序列編號(Synchronize Sequence Numbers)欄有效。該標誌僅在三次握手建立TCP連接時有效。它提示TCP連接的服務端檢查序列編號，該序列編號爲TCP連接初始端(一般是客戶端)的初始序列編號。在這裏，可以把TCP序列編號看作是一個範圍從0到4，294，967，295的32位計數器。通過TCP連接交換的數據中每一個字節都經過序列編號。在TCP報頭中的序列編號欄包括了TCP分段中第一個字節的序列編號。所以如果你拒絕進來的syn包，它將終止其他計算機打開你計算機上的服務，但是並不會你終止你使用別的計算機的服務。
FIN：結束標誌
帶有該標誌置位的數據包用來結束一個TCP回話，但對應端口仍處於開放狀態，準備接收後續數據。
RST：復位標誌
復位標誌有效。用於復位相應的TCP連接。
URG：緊急標誌
緊急(The urgent pointer) 標誌有效。緊急標誌置位，
PSH：推標誌
該標誌置位時，接收端不將該數據進行隊列處理，而是儘可能快將數據轉由應用處理。在處理 telnet 或 rlogin 等交互模式的連接時，該標誌總是置位的
未連接隊列：
在三次握手協議中，服務器維護一個未連接隊列，該隊列爲每個客戶端的SYN包（syn=j）開設一個條目，該條目表明服務器已收到SYN 包，並向客戶發出確認，正在等待客戶的確認包。這些條目所標識的連接在服務器處於Syn_RECV狀態，當服務器收到客戶的確認包時，刪除該條目，服務器 進入ESTABLISHED狀態。Backlog參數：表示未連接隊列的最大容納數目。
SYN-ACK重傳次數 ：
服務器發送完SYN－ACK包，如果未收到客戶確認包，服務器進行首次重傳，等待一段時間仍未收到客戶確認包，進行第二次重傳，如果重傳次數超 過系統規定的最大重傳次數，系統將該連接信息從半連接隊列中刪除。
注意，每次重傳等待的時間不一定相同。
半連接存活時間：是指半連接隊列的條目存活的最長時間，也即服務從收到SYN包到確認這個報文無效的最長時間，該時間值是所有重傳請求包的最長等待時間總和。有時我們也稱半連接存活時間爲Timeout時間、SYN_RECV存活時間。
TCP選項：
每一個SYN可以含有若干個TCP選項，通常使用的選項有：
MSS選項：TCP發送的SYN中，帶有這個選項是通知對方它的最大分節大小MSS（maximum segment size）,即它能接受的每個TCP分節中的最大數據量，可以使用TCP_MAXSEG套接口選項獲取與設置這個TCP選項（Linux系統下）。
窗口規模選項：TCP雙方能夠通知對方的最大窗口大小是65535，因爲TCP頭部相應的字段只佔16位，這個選項指定TCP頭部的廣告窗口必須擴大（左移）的位數（0--14），因此所提供的最大窗口幾乎是1G字節（65535*2的14次方）
時間戳選項：這個這項對高速連接是必要的，它可以防止失而復得的分組可能造成的數據損壞，也就是說是暫時的路由原因造成的迷途的分組，當路由穩定後，它們又會正常到達目的地，其前提是它們在此前尚未被路由主動丟棄。
TCP連接終止：
TCP用三次握手建立一個連接，而終止一個連接則需要四次握手。
1. 某個應用進程首先調用close，我們稱這一端執行主動關閉（active close)，這一端的TCP於是發送一個FIN分節，表示數據發送完畢。
2. 接收到FIN的另一端執行被動關閉，這個FIN由TCP確認，它的接收也作爲文件結束符，傳遞給接收方應用進程（放在已排隊等候該應用進程接收的任何其他數據之後），因爲FIN的接收意味着應用進程在相應連接上再也接收不到額外數據。
3. 一段時間後，接收到文件結束符的應用進程將調用close關閉它的套接口，這導致它的TCP也發送一個FIN、
4. 接收到這個FIN的源發送方TCP，對它進行確認。發送ACK、
FIN佔據1個字節的序列號空間，這與SYN相同，所以每個FIN的ACK確認號是這個 FIN的序列號加1.
在步驟2與步驟3之間可以有從執行被動關閉端到執行主動關閉端的數據流，這稱爲半關閉。不管是客戶還是服務器都可以執行主動關閉。通常情況下是客戶執行主動關閉。
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注意：
四次握手不是關閉TCP連接的唯一方法. 有時,如果主機需要儘快關閉連接(或連接超時,端口或主機不可達),RST (Reset)包將被髮送. 注意在，由於RST包不是TCP連接中的必須部分, 可以只發送RST包(即不帶ACK標記). 但在正常的TCP連接中RST包可以帶ACK確認標記請注意RST包是可以不要收到方確認的
下面是一個簡單的TCP連接的例子：其中涉及到了主要的數據包的變化。
握手階段：
序號 方向 seq ack
1 A->B 10000 0
2 B->A 20000 10000+1=10001
3 A->B 10001 20000+1=20001
解釋：
1：A向B發起連接請求，以一個隨機數初始化A的seq,這裏假設爲10000，此時ACK＝0
2：B收到A的連接請求後，也以一個隨機數初始化B的seq，這裏假設爲20000，意思是：你的請求我已收到，我這方的數據流就從這個數開始。B的ACK是A的seq加1，即10000＋1＝10001
3：A收到B的回覆後，它的seq是它的上個請求的seq加1，即10000＋1＝10001，意思也是：你的回覆我收到了，我這方的數據流就從這個數開始。A此時的ACK是B的seq加1，即20000+1=20001
數據傳輸階段：
序號 方向 seq ack size
23 A->B 40000 70000 1514
24 B->A 70000 40000+1514-54=41460 54
25 A->B 41460 70000+54-54=70000 1514
26 B->A 70000 41460+1514-54=42920 54
解釋：
23:B接收到A發來的seq=40000,ack=70000,size=1514的數據包
24:於是B向A也發一個數據包，告訴B，你的上個包我收到了。B的seq就以它收到的數據包的ACK填充，ACK是它收到的數據包的SEQ加上數據包的大小(不包括以太網協議頭，IP頭，TCP頭)，以證實B發過來的數據全收到了
25:A在收到B發過來的ack爲41460的數據包時，一看到41460，正好是它的上個數據包的seq加上包的大小，就明白，上次發送的數據包已安全到達。於是它再發一個數據包給B。這個正在發送的數據包的seq也以它收到的數據包的ACK填充，ACK就以它收到的數據包的seq(70000)加上包的size(54)填充,即ack=70000+54-54(全是頭長，沒數據項)。
TCP連接是面向連接的，所謂的面向連接就是，當計算機雙向通信時必需先建立連接，然後才能進行數據的傳輸，最後還要拆除連接。而同在一個網絡層的UDP傳輸，是面向非連接的傳輸，也不是可靠的。
TCP建立連接需要三次握手的過程，而拆除連接需要四次握手的過程。
TCP連接的建立：
1.服務器必須準備好接受外來的連接，這通過調用socket,bind,和listen函數來完成，稱爲被動打開。
2.客戶通過調用connect進行主動打開，這引起客戶TCP發送一個SYN（Synchronize）分節（表示同步 SYN=J），它告訴服務器客戶將在連接中發送的數據的初始序列號，一般情況下SYN分節不攜帶數據，它只包含有一
個IP頭部，一個TCP頭部，可能還有TCP選項。這時客戶端進入SYN_SEND狀態，並等待服務器確認。
3. 服務器必須確認客戶的SYN，同時自己也要發送一個SYN分節，它含有服務器將在同一個連接中發送的數據的初始序列號，服務器向客戶發送一個SYN（SYn=K）和對客戶的ACK（J+1）。也就是SYN+ACK包。這裏服務器
進入SYN_RECV狀態。
4 客戶必須確認服務器的SYN。這裏會向服務器發送確認包ACK（ack = K+1），此包發送完畢，客戶端和服務器專進入ESTABLISHED狀態。至此，三次握手完成，TCP連接建立。
完成三次握手，客戶端和服務器開始傳輸數據。在握手過程中，ACK裏的確認號爲發送這個 ACK的一方所期待的對方的下一個序列號。因爲SYN只佔一個字節的序列號空間，所以每一個SYN的ACK中的確認號都是相應的初始序列號加1，每一個FIN的ACK的確認號爲FIN的序列號加1、
在這過程中，還有一些重要的概念需要能明白。
SYN：同步標誌
同步序列編號(Synchronize Sequence Numbers)欄有效。該標誌僅在三次握手建立TCP連接時有效。它提示TCP連接的服務端檢查序列編號，該序列編號爲TCP連接初始端(一般是客戶端)的初始序列編號。在這裏，可以把TCP序列編號看作是一個範圍從0到4，294，967，295的32位計數器。通過TCP連接交換的數據中每一個字節都經過序列編號。在TCP報頭中的序列編號欄包括了TCP分段中第一個字節的序列編號。所以如果你拒絕進來的syn包，它將終止其他計算機打開你計算機上的服務，但是並不會你終止你使用別的計算機的服務。
FIN：結束標誌
帶有該標誌置位的數據包用來結束一個TCP回話，但對應端口仍處於開放狀態，準備接收後續數據。
RST：復位標誌
復位標誌有效。用於復位相應的TCP連接。
URG：緊急標誌
緊急(The urgent pointer) 標誌有效。緊急標誌置位，
PSH：推標誌
該標誌置位時，接收端不將該數據進行隊列處理，而是儘可能快將數據轉由應用處理。在處理 telnet 或 rlogin 等交互模式的連接時，該標誌總是置位的
未連接隊列：
在三次握手協議中，服務器維護一個未連接隊列，該隊列爲每個客戶端的SYN包（syn=j）開設一個條目，該條目表明服務器已收到SYN 包，並向客戶發出確認，正在等待客戶的確認包。這些條目所標識的連接在服務器處於Syn_RECV狀態，當服務器收到客戶的確認包時，刪除該條目，服務器 進入ESTABLISHED狀態。Backlog參數：表示未連接隊列的最大容納數目。
SYN-ACK重傳次數 ：
服務器發送完SYN－ACK包，如果未收到客戶確認包，服務器進行首次重傳，等待一段時間仍未收到客戶確認包，進行第二次重傳，如果重傳次數超 過系統規定的最大重傳次數，系統將該連接信息從半連接隊列中刪除。
注意，每次重傳等待的時間不一定相同。
半連接存活時間：是指半連接隊列的條目存活的最長時間，也即服務從收到SYN包到確認這個報文無效的最長時間，該時間值是所有重傳請求包的最長等待時間總和。有時我們也稱半連接存活時間爲Timeout時間、SYN_RECV存活時間。
TCP選項：
每一個SYN可以含有若干個TCP選項，通常使用的選項有：
MSS選項：TCP發送的SYN中，帶有這個選項是通知對方它的最大分節大小MSS（maximum segment size）,即它能接受的每個TCP分節中的最大數據量，可以使用TCP_MAXSEG套接口選項獲取與設置這個TCP選項（Linux系統下）。
窗口規模選項：TCP雙方能夠通知對方的最大窗口大小是65535，因爲TCP頭部相應的字段只佔16位，這個選項指定TCP頭部的廣告窗口必須擴大（左移）的位數（0--14），因此所提供的最大窗口幾乎是1G字節（65535*2的14次方）
時間戳選項：這個這項對高速連接是必要的，它可以防止失而復得的分組可能造成的數據損壞，也就是說是暫時的路由原因造成的迷途的分組，當路由穩定後，它們又會正常到達目的地，其前提是它們在此前尚未被路由主動丟棄。
TCP連接終止：
TCP用三次握手建立一個連接，而終止一個連接則需要四次握手。
1. 某個應用進程首先調用close，我們稱這一端執行主動關閉（active close)，這一端的TCP於是發送一個FIN分節，表示數據發送完畢。
2. 接收到FIN的另一端執行被動關閉，這個FIN由TCP確認，它的接收也作爲文件結束符，傳遞給接收方應用進程（放在已排隊等候該應用進程接收的任何其他數據之後），因爲FIN的接收意味着應用進程在相應連接上再也接收不到額外數據。
3. 一段時間後，接收到文件結束符的應用進程將調用close關閉它的套接口，這導致它的TCP也發送一個FIN、
4. 接收到這個FIN的源發送方TCP，對它進行確認。發送ACK、
FIN佔據1個字節的序列號空間，這與SYN相同，所以每個FIN的ACK確認號是這個 FIN的序列號加1.
在步驟2與步驟3之間可以有從執行被動關閉端到執行主動關閉端的數據流，這稱爲半關閉。不管是客戶還是服務器都可以執行主動關閉。通常情況下是客戶執行主動關閉。
注意：
四次握手不是關閉TCP連接的唯一方法. 有時,如果主機需要儘快關閉連接(或連接超時,端口或主機不可達),RST (Reset)包將被髮送. 注意在，由於RST包不是TCP連接中的必須部分, 可以只發送RST包(即不帶ACK標記). 但在正常的TCP連接中RST包可以帶ACK確認標記請注意RST包是可以不要收到方確認的
下面是一個簡單的TCP連接的例子：其中涉及到了主要的數據包的變化。
握手階段：
序號 方向 seq ack
1 A->B 10000 0
2 B->A 20000 10000+1=10001
3 A->B 10001 20000+1=20001
解釋：
1：A向B發起連接請求，以一個隨機數初始化A的seq,這裏假設爲10000，此時ACK＝0
2：B收到A的連接請求後，也以一個隨機數初始化B的seq，這裏假設爲20000，意思是：你的請求我已收到，我這方的數據流就從這個數開始。B的ACK是A的seq加1，即10000＋1＝10001
3：A收到B的回覆後，它的seq是它的上個請求的seq加1，即10000＋1＝10001，意思也是：你的回覆我收到了，我這方的數據流就從這個數開始。A此時的ACK是B的seq加1，即20000+1=20001
數據傳輸階段：
序號 方向 seq ack size
23 A->B 40000 70000 1514
24 B->A 70000 40000+1514-54=41460 54
25 A->B 41460 70000+54-54=70000 1514
26 B->A 70000 41460+1514-54=42920 54
解釋：
23:B接收到A發來的seq=40000,ack=70000,size=1514的數據包
24:於是B向A也發一個數據包，告訴B，你的上個包我收到了。B的seq就以它收到的數據包的ACK填充，ACK是它收到的數據包的SEQ加上數據包的大小(不包括以太網協議頭，IP頭，TCP頭)，以證實B發過來的數據全收到了
25:A在收到B發過來的ack爲41460的數據包時，一看到41460，正好是它的上個數據包的seq加上包的大小，就明白，上次發送的數據包已安全到達。於是它再發一個數據包給B。這個正在發送的數據包的seq也以它收到的數據包的ACK填充，ACK就以它收到的數據包的seq(70000)加上包的size(54)填充,即ack=70000+54-54(全是頭長，沒數據項)。