详细理解TCP的三次握手以及四次挥手过程,以及常见问题的思考

首先,我们通过一个图解,来形象表述一下,tcp连接过程的三次握手:

三次握手图解

1. TCP服务器进程先创建传输控制块TCB,时刻准备接受客户进程的连接请求,此时服务器就进入了LISTEN(监听)状态;

2.  TCP客户进程也是先创建传输控制块TCB,然后向服务器发出连接请求报文(一个特殊的TCP报文段,该报文段中不包含应用层数据,但是在报文段的首部中的一个标志位(即SYN比特)被置为1,因此,这个特殊的报文段被称为SYN报文段),由Client发出请求连接即 SYN=1 ACK=0  ,同时随机选择一个初始序列号 seq=x ,此时,TCP客户端进程进入了 SYN-SENT(同步已发送状态)状态。TCP规定,SYN报文段(SYN=1的报文段)不能携带数据,但需要消耗掉一个序号。

3. TCP服务器收到请求报文后,如果同意连接,则发出确认报文(有时被称为SYNACK报文段)。确认报文中应该 ACK=1,SYN=1,确认号是ack=x+1,同时也要为自己初始化一个序列号 seq=y,此时,TCP服务器进程进入了SYN-RCVD(同步收到)状态。这个报文也不能携带数据,但是同样要消耗一个序号。

4. TCP客户进程收到确认后,还要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1,ack=y+1,自己的序列号seq=x+1,此时,TCP连接       建立,客户端进入ESTABLISHED(已建立连接)状态。

5. 当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态,此后双方就可以开始通信了。

 

三次握手过程中常见问题的思考

1.为什么TCP客户端最后还要发送一次确认呢?

   换句话说,为什么tcp连接要进行,三次握手,两次不行吗?

建立三次握手主要是因为A发送了再一次的确认,那么A为什么会再确认一次呢,主要是为了防止已失效的连接请求报文段又突然传送给B,从而产生了错误。

  所谓“已失效的连接请求报文”是这样产生的,正常情况下,A发出连接请求,但是因为连接报文请求丢失而未收到确认,于是A再重传一次连接请求,后来收到了请求,并收到了确认,建立了连接,数据传输完毕后,就释放链接,A共发送了两次连接请求报文段,其中第一个丢失,第二个到达了B,没有“已失效的连接请求报文段”,但是还有异常情况下,A发送的请求报文连接段并没有丢失,而是在某个网络节点滞留较长时间,以致延误到请求释放后的某个时间到达B,本来是一个早已失效的报文段,但是B收到了此失效连接请求报文段后,就误以为A又重新发送的连接请求报文段,并发送确认报文段给A,同意建立连接,如果没有三次握手,那么B发送确认后,连接就建立了,而此时A没有发送建立连接的请求报文段,于是不理会B的确认,也不会给B发送数据,而B却一直等待A发送数据,因此B的许多资源就浪费了,采用三次握手的方式就可以防止这种事情发生,例如刚刚,A不理会B,就不会给B发送确认,B收不到A的确认,就知道A不要求建立连接,就不会白白浪费资源,

 

四次挥手过程图解

数据传输完毕后,双方都可释放连接

此图所示,最开始的时候,客户端和服务器都是处于ESTABLISHED状态,然后客户端主动关闭,服务器被动关闭。

 

1. 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(类似于SYN报文段,其FIN比特被置为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。

2. 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。

3. 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)。

4. 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,由于在刚刚在半关闭状态的时候,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。

5. 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。

6. 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。

 

四次挥手过程中常见问题的思考

1.为什么客户端最后还要等待2MSL?

MSL(Maximum Segment Lifetime),最大报文段寿命,TCP允许不同的实现可以设置不同的MSL值。

第一,保证客户端发送的最后一个ACK报文能够到达服务器,因为这个ACK报文可能丢失,站在服务器的角度看来,我已经发送了FIN+ACK报文请求断开了,客户端还没有给我回应,应该是我发送的请求断开报文它没有收到,于是服务器又会重新发送一次,而客户端就能在这个2MSL时间段内收到这个重传的报文,接着给出回应报文,并且会重启2MSL计时器。

第二,防止类似与“三次握手”中提到了的“已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中。客户端发送完最后一个确认报文后,在这个2MSL时间中,就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文。深刻理解一下,这里所谓的新旧连接的问题:假如没有这个2msl的等待时间,那么,此时主动关闭方进入close状态后,立马在与另一方(同ip,同端口)进行tcp连接,这时候,新的连接就可能会把之前旧连接所无效的报文段当成自己的报文段,从而产生混乱。

2.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,所以己方可以立即关闭,也可以发送一些数据给对方后,再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接,因此,己方ACK和FIN一般都会分开发送,从而导致多了一次。

3.如果已经建立了连接,但是客户端突然出现故障了怎么办?

TCP还设有一个保活计时器,显然,客户端如果出现故障,服务器不能一直等下去,白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器,时间通常是设置为2小时,若两小时还没有收到客户端的任何数据,服务器就会发送一个探测报文段,以后每隔75s发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应,服务器就认为客户端出了故障,接着就关闭连接。

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