TCP协议中的三次握手和四次挥手
TCP/IP
TCP(Transmission Control Protocol,传输控制协议)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的通信协议,数据在传输前要建立连接,传输完毕后还要断开连接。
客户端在收发数据前要使用 connect() 函数和服务器建立连接。建立连接的目的是保证IP地址、端口、物理链路等正确无误,为数据的传输开辟通道。
TCP建立连接时要传输三个数据包,俗称三次握手(Three-way Handshaking)。可以形象的比喻为下面的对话:
- [Shake 1] 套接字A:“你好,套接字B,我这里有数据要传送给你,建立连接吧。”
- [Shake 2] 套接字B:“好的,我这边已准备就绪。”
- [Shake 3] 套接字A:“谢谢你受理我的请求。”
TCP数据报结构
我们先来看一下TCP数据报的结构:
带阴影的几个字段需要重点说明一下:
1) 序号:Seq(Sequence Number)序号占32位,用来标识从计算机A发送到计算机B的数据包的序号,计算机发送数据时对此进行标记。
2) 确认号:Ack(Acknowledge Number)确认号占32位,客户端和服务器端都可以发送,Ack = Seq + 1。
3) 标志位:每个标志位占用1Bit,共有6个,分别为 URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN,具体含义如下:
URG:紧急指针(urgent pointer)有效。
ACK:确认序号有效。
PSH:接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
RST:重置连接。
SYN:建立一个新连接。
FIN:断开一个连接。
ICMP:控制报文协议
IGMP:internet组管理协议
ARP:地址解析协议
RARP:反向地址转化协议
三次握手
客户端调用 socket() 函数创建套接字后,因为没有建立连接,所以套接字处于CLOSED
状态;服务器端调用 listen() 函数后,套接字进入LISTEN
状态,开始监听客户端请求。
这个时候,客户端开始发起请求:
1) 当客户端调用 connect() 函数后,TCP协议会组建一个数据包,并设置 SYN 标志位,表示该数据包是用来建立同步连接的。同时生成一个随机数字 1000,填充“序号(Seq)”字段,表示该数据包的序号。完成这些工作,开始向服务器端发送数据包,客户端就进入了SYN-SEND
状态。
2) 服务器端收到数据包,检测到已经设置了 SYN 标志位,就知道这是客户端发来的建立连接的“请求包”。服务器端也会组建一个数据包,并设置 SYN 和 ACK 标志位,SYN 表示该数据包用来建立连接,ACK 用来确认收到了刚才客户端发送的数据包。
服务器生成一个随机数 2000,填充“序号(Seq)”字段。2000 和客户端数据包没有关系。
服务器将客户端数据包序号(1000)加1,得到1001,并用这个数字填充“确认号(Ack)”字段。
服务器将数据包发出,进入SYN-RECV
状态。
3) 客户端收到数据包,检测到已经设置了 SYN 和 ACK 标志位,就知道这是服务器发来的“确认包”。客户端会检测“确认号(Ack)”字段,看它的值是否为 1000+1,如果是就说明连接建立成功。
接下来,客户端会继续组建数据包,并设置 ACK 标志位,表示客户端正确接收了服务器发来的“确认包”。同时,将刚才服务器发来的数据包序号(2000)加1,得到 2001,并用这个数字来填充“确认号(Ack)”字段。
客户端将数据包发出,进入ESTABLISED
状态,表示连接已经成功建立。
4) 服务器端收到数据包,检测到已经设置了 ACK 标志位,就知道这是客户端发来的“确认包”。服务器会检测“确认号(Ack)”字段,看它的值是否为 2000+1,如果是就说明连接建立成功,服务器进入ESTABLISED
状态。
至此,客户端和服务器都进入了ESTABLISED
状态,连接建立成功,接下来就可以收发数据了。
四次挥手
三次握手的关键是要确认对方收到了自己的数据包,这个目标就是通过“确认号(Ack)”字段实现的。计算机会记录下自己发送的数据包序号 Seq,待收到对方的数据包后,检测“确认号(Ack)”字段,看Ack = Seq + 1
是否成立,如果成立说明对方正确收到了自己的数据包。
建立连接需要三次握手,断开连接需要四次握手,可以形象的比喻为下面的对话:
- [Shake 1] 套接字A:“任务处理完毕,我希望断开连接。”
- [Shake 2] 套接字B:“哦,是吗?请稍等,我准备一下。”
- 等待片刻后……
- [Shake 3] 套接字B:“我准备好了,可以断开连接了。”
- [Shake 4] 套接字A:“好的,谢谢合作。”
单工:数据传输只支持数据在一个方向上传输
半双工:数据传输允许数据在两个方向上传输,但是在某一时刻,只允许在一个方向上传输,实际上有点像切换方向的单工通信
全双工:数据通信允许数据同时在两个方向上传输,因此全双工是两个单工通信方式的结合,它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力
由于TCP连接时全双工的,因此,每个方向都必须要单独进行关闭,这一原则是当一方完成数据发送任务后,发送一个FIN来终止这一方向的连接,收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了,即不会再收到数据了,但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据,直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方则执行被动关闭,上图描述的即是如此。
建立连接后,客户端和服务器都处于ESTABLISED
状态。这时,客户端发起断开连接的请求:
1) 客户端调用 close() 函数后,向服务器发送 FIN 数据包,进入FIN_WAIT_1
状态。FIN 是 Finish 的缩写,表示完成任务需要断开连接。
2) 服务器收到数据包后,检测到设置了 FIN 标志位,知道要断开连接,于是向客户端发送“确认包”,进入CLOSE_WAIT
状态。
注意:服务器收到请求后并不是立即断开连接,而是先向客户端发送“确认包”,告诉它我知道了,我需要准备一下才能断开连接。
3) 客户端收到“确认包”后进入FIN_WAIT_2
状态,等待服务器准备完毕后再次发送数据包。
4) 等待片刻后,服务器准备完毕,可以断开连接,于是再主动向客户端发送 FIN 包,告诉它我准备好了,断开连接吧。然后进入LAST_ACK
状态。
5) 客户端收到服务器的 FIN 包后,再向服务器发送 ACK 包,告诉它你断开连接吧。然后进入TIME_WAIT
状态。
6) 服务器收到客户端的 ACK 包后,就断开连接,关闭套接字,进入CLOSED
状态。
关于 TIME_WAIT 状态的说明
客户端最后一次发送 ACK包后进入 TIME_WAIT 状态,而不是直接进入 CLOSED 状态关闭连接,这是为什么呢?
TCP 是面向连接的传输方式,必须保证数据能够正确到达目标机器,不能丢失或出错,而网络是不稳定的,随时可能会毁坏数据,所以机器A每次向机器B发送数据包后,都要求机器B”确认“,回传ACK包,告诉机器A我收到了,这样机器A才能知道数据传送成功了。如果机器B没有回传ACK包,机器A会重新发送,直到机器B回传ACK包。
客户端最后一次向服务器回传ACK包时,有可能会因为网络问题导致服务器收不到,服务器会再次发送 FIN 包,如果这时客户端完全关闭了连接,那么服务器无论如何也收不到ACK包了,所以客户端需要等待片刻、确认对方收到ACK包后才能进入CLOSED状态。那么,要等待多久呢?
数据包在网络中是有生存时间的,超过这个时间还未到达目标主机就会被丢弃,并通知源主机。这称为报文最大生存时间(MSL,Maximum Segment Lifetime)。TIME_WAIT 要等待 2MSL 才会进入 CLOSED 状态。ACK 包到达服务器需要 MSL 时间,服务器重传 FIN 包也需要 MSL 时间,2MSL 是数据包往返的最大时间,如果 2MSL 后还未收到服务器重传的 FIN 包,就说明服务器已经收到了 ACK 包。
【注意】中断连接端可以是Client端,也可以是Server端。
假设Client端发起中断连接请求,也就是发送FIN报文。Server端接到FIN报文后,意思是说"我Client端没有数据要发给你了",但是如果你还有数据没有发送完成,则不必急着关闭Socket,可以继续发送数据。所以你先发送ACK,"告诉Client端,你的请求我收到了,但是我还没准备好,请继续你等我的消息"。这个时候Client端就进入FIN_WAIT状态,继续等待Server端的FIN报文。当Server端确定数据已发送完成,则向Client端发送FIN报文,"告诉Client端,好了,我这边数据发完了,准备好关闭连接了"。Client端收到FIN报文后,"就知道可以关闭连接了,但是他还是不相信网络,怕Server端不知道要关闭,所以发送ACK后进入TIME_WAIT状态,如果Server端没有收到ACK则可以重传。“,Server端收到ACK后,"就知道可以断开连接了"。Client端等待了2MSL后依然没有收到回复,则证明Server端已正常关闭,那好,我Client端也可以关闭连接了。Ok,TCP连接就这样关闭了!
【问题】为什么连接的时候是三次握手,关闭的时候却是四次握手?
答:因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后,可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的,SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时,当Server端收到FIN报文时,很可能并不会立即关闭SOCKET,所以只能先回复一个ACK报文,告诉Client端,"你发的FIN报文我收到了"。只有等到我Server端所有的报文都发送完了,我才能发送FIN报文,因此不能一起发送。故需要四步握手。
转自: https://blog.csdn.net/Ctrl_qun/article/details/52518479
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