两张动图-彻底明白TCP的三次握手与四次挥手

背景描述

通过上一篇中网络模型中的IP层的介绍，我们知道网络层，可以实现两个主机之间的通信。但是这并不具体，因为，真正进行通信的实体是在主机中的进程，是一个主机中的一个进程与另外一个主机中的一个进程在交换数据。IP协议虽然能把数据报文送到目的主机，但是并没有交付给主机的具体应用进程。而端到端的通信才应该是应用进程之间的通信。

UDP，在传送数据前不需要先建立连接，远地的主机在收到UDP报文后也不需要给出任何确认。虽然UDP不提供可靠交付，但是正是因为这样，省去和很多的开销，使得它的速度比较快，比如一些对实时性要求较高的服务，就常常使用的是UDP。对应的应用层的协议主要有 DNS,TFTP,DHCP,SNMP,NFS 等。

TCP，提供面向连接的服务，在传送数据之前必须先建立连接，数据传送完成后要释放连接。因此TCP是一种可靠的的运输服务，但是正因为这样，不可避免的增加了许多的开销，比如确认，流量控制等。对应的应用层的协议主要有 SMTP,TELNET,HTTP,FTP 等。

常用的熟知端口号

应用程序FTPTFTPTELNETSMTPDNSHTTPSSHMYSQL
熟知端口 21,20 69 23 25 53 80 22 3306
传输层协议 TCP UDP TCP TCP UDP TCP TCP TCP

TCP的概述

TCP把连接作为最基本的对象，每一条TCP连接都有两个端点，这种断点我们叫作套接字（socket），它的定义为端口号拼接到IP地址即构成了套接字，例如，若IP地址为192.3.4.16 而端口号为80，那么得到的套接字为192.3.4.16:80。

TCP报文首部

  1. 源端口和目的端口，各占2个字节，分别写入源端口和目的端口；
  2. 序号，占4个字节，TCP连接中传送的字节流中的每个字节都按顺序编号。例如，一段报文的序号字段值是 301 ，而携带的数据共有100字段，显然下一个报文段（如果还有的话）的数据序号应该从401开始；
  3. 确认号，占4个字节，是期望收到对方下一个报文的第一个数据字节的序号。例如，B收到了A发送过来的报文，其序列号字段是501，而数据长度是200字节，这表明B正确的收到了A发送的到序号700为止的数据。因此，B期望收到A的下一个数据序号是701，于是B在发送给A的确认报文段中把确认号置为701；
  4. 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；
  5. 保留，占6位，保留今后使用，但目前应都位0；
  6. 紧急URG，当URG=1，表明紧急指针字段有效。告诉系统此报文段中有紧急数据；
  7. 确认ACK，仅当ACK=1时，确认号字段才有效。TCP规定，在连接建立后所有报文的传输都必须把ACK置1；
  8. 推送PSH，当两个应用进程进行交互式通信时，有时在一端的应用进程希望在键入一个命令后立即就能收到对方的响应，这时候就将PSH=1；
  9. 复位RST，当RST=1，表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立连接；
  10. 同步SYN，在连接建立时用来同步序号。当SYN=1，ACK=0，表明是连接请求报文，若同意连接，则响应报文中应该使SYN=1，ACK=1；
  11. 终止FIN，用来释放连接。当FIN=1，表明此报文的发送方的数据已经发送完毕，并且要求释放；
  12. 窗口，占2字节，指的是通知接收方，发送本报文你需要有多大的空间来接受；
  13. 检验和，占2字节，校验首部和数据这两部分；
  14. 紧急指针，占2字节，指出本报文段中的紧急数据的字节数；
  15. 选项，长度可变，定义一些其他的可选的参数。

TCP连接的建立（三次握手）

这里写图片描述

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。

  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，这是报文首部中的同部位SYN=1，同时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。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。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。
  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

为什么TCP客户端最后还要发送一次确认呢？

一句话，主要防止已经失效的连接请求报文突然又传送到了服务器，从而产生错误。

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。

如果采用的是三次握手，就算是那一次失效的报文传送过来了，服务端接受到了那条失效报文并且回复了确认报文，但是客户端不会再次发出确认。由于服务器收不到确认，就知道客户端并没有请求连接。

TCP连接的释放（四次挥手）

这里写图片描述

数据传输完毕后，双方都可释放连接。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，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。
  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

为什么客户端最后还要等待2MSL？

MSL（Maximum Segment Lifetime），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。

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。

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75秒发送一次。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。

IP地址的分配原理

网络模型介绍

在计算机网络中有著名的OSI七层协议体系结构，概念清楚，理论完整，但是它既复杂又不实用。TCP/IP体系结构则不同，得到的广泛的应用。最终结合OSI和TCP/IP的优点，采用了一种只有五层协议的体系结构，本文的讲述的IP都是基于五层协议模型中的网络层。

OSI体系结构 TCP/IP体系结构 五层体系结构
     
7 应用层 应用层 5 应用层
6 表示层
5 会话层
4 传输层 传输层 4 传输层
3 网络层 网络层 3 网络层
2 数据链路层 网络接口层 2 数据链路层
1 物理层 1 物理层

分类的IP地址

IP地址的表示方法

IP地址就是给英特网上的每个主机（路由器）的每个接口分配一个在全世界范围内是唯一的32位的标识符。其组成第一个字段是网络号，第二个字段是主机号。一个主机号在前面的网络号所指明的网络范围内必须是唯一的，所以一个IP地址在整个网络中都是唯一的。目前分为A、B、C、D、E 五类IP地址。
IP

  • 在A、B、C 三类地址中灰色的部分即为网络号，网络号的前三位是类别位，分别是0,10，110。也就是说我们可以凭借这个类别位置来判断网络类别。
  • 32位的总长度，由于A、B、C 三类网络号的长度的不同，导致A、B、C 类地址的主机号字段的字节数分别为3、2、1（一个字节8位）。
  • D 类地址的网络号为1110，用于多播（一对多通讯）。E 类地址的网络号为1111，保留以后使用。

因此我们一般使用的就是ABC三类网络地址，IP地址是32位的二进制代码，为了提高可读性，把32位的IP地址中的每8位用等效的十进制表示出来（点分十进制），于是我们日常生活中常见的IP地址就出现了。

例如：IP地址，128.11.3.31，转化为二进制为 100000000 00001011 00000011 00011111 ，可以看出类别位为 10，可以判断为一个B类地址。

常用IP地址的指派范围

网络号指派范围

  • A类地址网络号占用一个字节，但是由于有一位是类别位，只有7位可供使用，但是由于规定，网络字段全0是个保留字段表示本网络，而127（01111111）是另外一个保留字段，作为本地软件的环回测试。我们常见的127.0.0.1表示本机，原因也是出自这里。所以A类地址可以指派的网络号个数为（27-2）.
  • B类网络地址网络号有两个字节，前两位为10已经固定，只剩下14位可用，由于这14位无论怎么取值都不会使得网络号为全0或者全1，单实际上规定，规定B类最小网络地址为128.1.0.0。因此B类地址可指派的网络号个数为（214-1）.
  • C类地址有3个字节的网络字段号，前三位固定110，只有剩下21位可用，同样C类地址可指派的最小网络地址也是192.0.1.0。因此C类地址可指派的网络号个数为（221-1）.

主机号指派范围

  • 由于主机号有规定，全0的主机号代表IP地址是“本主机”所连接到的单个网络地址（例，一主机地址为5.6.7.8，则该主机所在的网络地址为5.0.0.0），而全1则表示“所有的”，即表示该网络上的所有主机。
  • A类地址的主机号是由三个字节，24位组成，所以每一个A类网络中可分配的主机个数为（224-2）.
  • B类地址的主机号是由两个字节，16位组成，所以每一个B类网络中可分配的主机个数为（216-2）.
  • C类地址的主机号是由一个字节，8位组成，所以每一个C类网络中可分配的主机个数为（28-2）.

总结IP指派范围

综上网络号和主机号的指派描述可知，IP地址空间共有232个地址。
所有A类地址共有（27-2）∗∗（224-2）个，大约231，占50%；
所有B类地址共有（214-1）∗∗（216-2）个，大约230,占25%；
所有C类地址共有（221-1）∗∗（28-2）个，大约229,占12.5%；

网络类别最大可分配网络数首个可分配网络号最后一个可分配网络号每个网络中最大主机数
A 126（27-2） 1 126 16777214
B 16383（214-1） 128.1 191.255 65534
C 2097151（221-1） 192.0.1 223.255.255 254
    • 所以可以这样来表示一个A类IP地址 n.x.y.zn.x.y.z，若1≤n≤1261≤n≤126，0≤x,y,z≤2550≤x,y,z≤255，其中 x,y,zx,y,z不同时为0也不能同时为255.

       

      • 所以可以这样来表示一个B类IP地址 n.m.x.yn.m.x.y，若128≤n≤191128≤n≤191，0≤m≤2550≤m≤255，0≤x,y≤2550≤x,y≤255，其中 I. 当n=128n=128时，m≠0m≠0; II. x,yx,y不同时为0也不能同时为255;
      • 所以可以这样来表示一个C类IP地址 n.m.k.xn.m.k.x，若192≤n≤223192≤n≤223，0≤m,k≤2550≤m,k≤255，1≤x≤2541≤x≤254，其中 当n=192n=192时，k≠0k≠0.

      • IP地址和硬件地址

        从层次角度来看，硬件地址是数据链路层和物理层使用的地址（常称作MAC地址），而IP地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址。在网络层我们进行数据报文从IP1传输到IP2，无论我们中间经过多少次转发，从网络层来看，源地址始终是IP1，目的地址始终是IP2。但是从数据链路层来看，显然就不是这样了，这些是物理地址，很有可能从源节点经过多次中间节点的物理地址的转变才能到达目的节点。

        而IP地址和物理地址的之间的转化则需要依靠两个重要的协议ARP（地址解析协议），RARP（逆地址解析协议）。IP地址通过ARP转化成物理地址，物理地址可以通过RARP转化成相应的IP地址。

        子网和超网

        简单的来说就是如何来管理一个IP地址下的多台主机

        子网

        现在假设这样一个场景，一个数据报起目的地址是145.13.3.10（在子网 145.13.3.0中），已经到达路由器R1（145.13.0.0），那么这个路由器怎么将它转发到145.13.3.0呢？
        我们并不知道目的地址是否进行了子网的划分。
        这就引出了子网掩码的概念了，子网掩码也是32位，由一串1和0组成，子网掩码中的1对应于IP地址中的网络号位置+子网网络号位置，子网掩码中的0对应与IP地址中现在的主机号位置。
        我们只要将IP地址和子网掩码进行“与”运算，如果进行子网的划分，就立刻得出要找的子网的网络地址，如果没有进行子网划分（有默认的子网掩码），则直接能够得出该IP地址的网络地址出来。

        • A类地址的默认子网掩码是255.0.0.0
        • B类地址的默认子网掩码是255.255.0.0
        • C类地址的默认子网掩码是255.255.255.0

        超网

        无分类编址CIDR，使用变长的子网掩码，可以进一步提高IP地址的资源利用率。有两个特点
        第一，消除了传统的ABC类地址及划分子网的概念，CIRD把32位的IP地址划分成为两个部分，网络前缀和剩下的部分，表示方法为，在IP地址后面加上“/”，然后写上网络前缀所占位数。
        第二，把网络前缀相同的IP地址组成一个CIDR地址块，例如，IP地址 128.14.35.7/20 用二进制表示 100000000 00001110 00100011 00000111，所以我们很容易可以得出这块地址中最小地址为128.14.32.0,即 100000000 00001110 00100000 00000000，最大地址为128.14.47.255，即 100000000 00001110 00101111 11111111.

        为了更加方便进行路由选择，CIDR使用32位的地址掩码，1的个数就是网络前缀的长度，如上面所举例中的/20的地址块的地址掩码是 11111111 11111111 11110000 00000000

        因此可以看出，网络前缀越短，其地址块所包含的地址就越多，这样可以根据实际情况更加有效的分配IPv4的地址空间。而由很多个CIDR地址快构成的庞大的网络就就被称为“超网”。

 

posted @ 2020-11-10 23:14  CharyGao  阅读(21)  评论(0)  编辑  收藏  举报