TCP之“3次握手，4次挥手”问题

你知道“3次握手，4次挥手”吗？

当面试官问你什么是“3次握手，4次挥手”，你是不是要开启“诵经”模式了？
作为程序员，要有“刨根问底”的精神。近期在复习网络时，遇到了这个频繁被面试官q到的问题，今天特此总结一下底层原理：

文章整体目录如下：

• 什么是“3次握手，4次挥手”
  • TCP服务模型
  • TCP头部
  • 状态转换
• 为什么要“三次握手，四次挥手”
  • 三次握手
  • 四次挥手
• “三次握手，四次挥手”怎么完成？
  • 三次握手
  • 四次挥手
  • 为什么建立连接是三次握手，而关闭连接却是四次挥手呢？
• “三次握手，四次挥手”进阶
  • ISN
  • 序列号回绕
  • syn flood攻击
    • 无效连接的监视释放
    • 延缓TCB分配方法
    • 使用SYN Proxy防火墙
  • 连接队列
    • 半连接队列满了
    • 全连接队列满了
    • 命令
    • 小结
• “三次握手，四次挥手”redis实例分析
• 总结
• 参考资料

 

一、什么是“3次握手，4次挥手”

 

TCP是一种面向连接的单播协议，在发送数据前，通信双方必须在彼此间建立一条连接。所谓的“连接”，其实是客户端和服务器的内存里保存的一份关于对方的信息，如ip地址、端口号等。

TCP可以看成是一种字节流，它会处理IP层或以下的层的丢包、重复以及错误问题。在连接的建立过程中，双方需要交换一些连接的参数。这些参数可以放在TCP头部。

TCP提供了一种可靠的、面向连接、字节流、传输层的服务，采用三次握手建立一个连接，采用4次挥手来关闭一个连接。

 

 

• TCP服务模型

在了解了建立连接、关闭连接的“三次握手和四次挥手”后，我们再来看下TCP相关的东西。

 

一个TCP连接由一个4元组构成，分别是两个IP地址和两个端口号。

一个TCP连接通常分为三个阶段：启动、数据传输、退出（关闭）。

 

在讲解之前，先了解一下相关的概念：

• 序号 ：用于对字节流进行编号，例如序号为 301，表示第一个字节的编号为 301，如果携带的数据长度为 100字节，那么下一个报文段的序号应为 401。
• 确认号 ：期望收到的下一个报文段的序号。例如 B 正确收到 A 发送来的一个报文段，序号为 501，携带的数据长度为 200 字节，因此 B 期望下一个报文段的序号为 701，B 发送给 A 的确认报文段中确认号就为 701。
• 数据偏移 ：指的是数据部分距离报文段起始处的偏移量，实际上指的是首部的长度。
• 确认 ACK ：当 ACK=1 时确认号字段有效，否则无效。TCP 规定，在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK 置 1。
• 同步 SYN ：在连接建立时用来同步序号。当 SYN=1，ACK=0 时表示这是一个连接请求报文段。若对方同意建立连接，则响应报文中 SYN=1，ACK=1。
• 终止 FIN ：用来释放一个连接，当 FIN=1 时，表示此报文段的发送方的数据已发送完毕，并要求释放连接。
• 窗口 ：窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。之所以要有这个限制，是因为接收方的数据缓存空间是有限的。

 

当TCP接收到另一端的数据时，它会发送一个确认，但这个确认不会立即发送，一般会延迟一会儿。ACK是累积的，一个确认字节号N的ACK表示所有直到N的字节（不包括N）已经成功被接收了。这样的好处是如果一个ACK丢失，很可能后续的ACK就足以确认前面的报文段了。

一个完整的TCP连接是双向和对称的，数据可以在两个方向上平等地流动。给上层应用程序提供一种 双工服务 。一旦建立了一个连接，这个连接的一个方向上的每个TCP报文段都包含了相反方向上的报文段的一个ACK。

序列号的作用：是使得一个TCP接收端可丢弃重复的报文段，记录以杂乱次序到达的报文段。因为TCP使用IP来传输报文段，而IP不提供重复消除或者保证次序正确的功能。另一方面，TCP是一个字节流协议，绝不会以杂乱的次序给上层程序发送数据。因此TCP接收端会被迫先保持大序列号的数据不交给应用程序，直到缺失的小序列号的报文段被填满。

 

• TCP头部

 

当新建一个连接时，从客户端发送到服务端的第一个报文段的SYN位被启用，这称为SYN报文段，这时序列号字段包含了在本次连接的这个方向上要使用的第一个序列号，即初始序列号ISN，之后发送的数据是ISN加1，因此SYN位字段会消耗一个序列号，这意味着使用重传进行可靠传输。而不消耗序列号的ACK则不是。

头部长度（图中的数据偏移）以32位字为单位，也就是以4bytes为单位，它只有4位，最大为15，因此头部最大长度为60字节，而其最小为5，也就是头部最小为20字节（可变选项为空）。

当一个连接被建立或被终止时，交换的报文段只包含TCP头部，而没有数据。

 

• 状态转换

三次握手：

 

假设 A 为客户端，B 为服务器端。

握手过程如下： 

1. 首先 B 处于 LISTEN（监听）状态，等待客户的连接请求。
2. A 向 B 发送连接请求报文，SYN=1，ACK=0，选择一个初始的序号 x。
3. B 收到连接请求报文，如果同意建立连接，则向 A 发送连接确认报文，SYN=1，ACK=1，确认号为 x+1，同时也选择一个初始的序号 y。
4. A 收到 B 的连接确认报文后，还要向 B 发出确认，确认号为 y+1，序号为 x+1。
5. B 收到 A 的确认后，连接建立。

如果分三步来讲的话：

就是

1. 客户端发送一个SYN段，并指明客户端的初始序列号，即ISN(c).
2. 服务端发送自己的SYN段作为应答，同样指明自己的ISN(s)。为了确认客户端的SYN，将ISN(c)+1作为ACK数值。这样，每发送一个SYN，序列号就会加1. 如果有丢失的情况，则会重传。
3. 为了确认服务器端的SYN，客户端将ISN(s)+1作为返回的ACK数值。