三次握手、四次挥手
三次握手、四次挥手
前置知识tcp,udp协议
1、TCP
1、TCP头格式
序列号：在建立连接时由计算机生成的随机数作为其初始值，通过 SYN 包传给接收端主机，每发送一次数据，就「累加」一次该「数据字节数」的大小。用来解决网络包乱序问题。
确认应答号：指下一次「期望」收到的数据的序列号，发送端收到这个确认应答以后可以认为在这个序号以前的数据都已经被正常接收。用来解决不丢包的问题。
控制位：
- ACK：该位为
1时，「确认应答」的字段变为有效，TCP 规定除了最初建立连接时的SYN包之外该位必须设置为1。 - RST：该位为
1时，表示 TCP 连接中出现异常必须强制断开连接。 - SYC：该位为
1时，表示希望建立连，并在其「序列号」的字段进行序列号初始值的设定。 - FIN：该位为
1时，表示今后不会再有数据发送，希望断开连接。当通信结束希望断开连接时，通信双方的主机之间就可以相互交换FIN位置为 1 的 TCP 段。
2、什么是TCP连接
建立一个 TCP 连接是需要客户端与服务器端达成三个信息的共识。
- Socket：由 IP 地址和端口号组成
- 序列号：用来解决乱序问题等
- 窗口大小：用来做流量控制
3、确定一个TCP连接
- 源地址
- 源端口
- 目的地址
- 目的端口
源地址和目的地址的字段（32位）是在 IP 头部中，作用是通过 IP 协议发送报文给对方主机。
源端口和目的端口的字段（16位）是在 TCP 头部中，作用是告诉 TCP 协议应该把报文发给哪个进程。
2、UDP
1、UDP头格式
- 目标和源端口：主要是告诉 UDP 协议应该把报文发给哪个进程。
- 包长度：该字段保存了 UDP 首部的长度跟数据的长度之和。
- 校验和：校验和是为了提供可靠的 UDP 首部和数据而设计。
2、TCP和UDP的区别：
- 连接
- TCP 是面向连接的传输层协议，传输数据前先要建立连接。
- UDP 是不需要连接，即刻传输数据。
2. 服务对象
- TCP 是一对一的两点服务，即一条连接只有两个端点。
- UDP 支持一对一、一对多、多对多的交互通信
3. 可靠性
- TCP 是可靠交付数据的，数据可以无差错、不丢失、不重复、按需到达。
- UDP 是尽最大努力交付，不保证可靠交付数据。
4. 拥塞控制、流量控制
- TCP 有拥塞控制和流量控制机制，保证数据传输的安全性。
- UDP 则没有，即使网络非常拥堵了，也不会影响 UDP 的发送速率。
5. 首部开销
- TCP 首部长度较长，会有一定的开销，首部在没有使用「选项」字段时是
20个字节，如果使用了「选项」字段则会变长的。 - UDP 首部只有 8 个字节，并且是固定不变的，开销较小。
3、TCP三次握手建立连接
1）TCP的连接是通过三次握手而进行的。
- 一开始，客户端和服务端都处于
CLOSED状态。先是服务端主动监听某个端口，处于LISTEN状态
- 客户端会随机初始化序号（
client_isn），将此序号置于 TCP 首部的「序号」字段中，同时把SYN标志位置为1，表示SYN报文。接着把第一个 SYN 报文发送给服务端，表示向服务端发起连接，该报文不包含应用层数据，之后客户端处于SYN-SENT状态。
- 服务端收到客户端的
SYN报文后，首先服务端也随机初始化自己的序号（server_isn），将此序号填入 TCP 首部的「序号」字段中，其次把 TCP 首部的「确认应答号」字段填入client_isn + 1, 接着把SYN和ACK标志位置为1。最后把该报文发给客户端，该报文也不包含应用层数据，之后服务端处于SYN-RCVD状态。
- 客户端收到服务端报文后，还要向服务端回应最后一个应答报文，首先该应答报文 TCP 首部
ACK标志位置为1，其次「确认应答号」字段填入server_isn + 1，最后把报文发送给服务端，这次报文可以携带客户到服务器的数据，之后客户端处于ESTABLISHED状态。 - 服务器收到客户端的应答报文后，也进入
ESTABLISHED状态。
第三次握手是可以携带数据的，前两次握手是不可以携带数据的
一旦完成三次握手，双方都处于 ESTABLISHED 状态，此致连接就已建立完成，客户端和服务端就可以相互发送数据了。
2）为什么是三次
原因一：避免历史连接
客户端连续发送多次 SYN 建立连接的报文，在网络拥堵等情况下：
- 一个「旧 SYN 报文」比「最新的 SYN 」 报文早到达了服务端；
- 那么此时服务端就会回一个
SYN + ACK报文给客户端； - 客户端收到后可以根据自身的上下文，判断这是一个历史连接（序列号过期或超时），那么客户端就会发送
RST报文给服务端，表示中止这一次连接。
如果是两次握手连接，就不能判断当前连接是否是历史连接，三次握手则可以在客户端（发送方）准备发送第三次报文时，客户端因有足够的上下文来判断当前连接是否是历史连接：
- 如果是历史连接（序列号过期或超时），则第三次握手发送的报文是
RST报文，以此中止历史连接； - 如果不是历史连接，则第三次发送的报文是
ACK报文，通信双方就会成功建立连接；
所以， TCP 使用三次握手建立连接的最主要原因是防止历史连接初始化了连接。
原因二：同步双方初始序列号
- 接收方可以去除重复的数据；
- 接收方可以根据数据包的序列号按序接收；
- 可以标识发送出去的数据包中， 哪些是已经被对方收到的；
4、TCP四次挥手断开连接
1）通讯双方都可以主动断开连接
- 客户端打算关闭连接，此时会发送一个 TCP 首部
FIN标志位被置为1的报文，也即FIN报文，之后客户端进入FIN_WAIT_1状态。 - 服务端收到该报文后，就向客户端发送
ACK应答报文，接着服务端进入CLOSED_WAIT状态。 - 客户端收到服务端的
ACK应答报文后，之后进入FIN_WAIT_2状态。 - 等待服务端处理完数据后，也向客户端发送
FIN报文，之后服务端进入LAST_ACK状态。 - 客户端收到服务端的
FIN报文后，回一个ACK应答报文，之后进入TIME_WAIT状态 - 服务器收到了
ACK应答报文后，就进入了CLOSE状态，至此服务端已经完成连接的关闭。 - 客户端在经过
2MSL一段时间后，自动进入CLOSE状态，至此客户端也完成连接的关闭。
这里一点需要注意是：主动关闭连接的，才有 TIME_WAIT 状态。
2）为什么是四次
- 关闭连接时，客户端向服务端发送
FIN时，仅仅表示客户端不再发送数据了但是还能接收数据。 - 服务器收到客户端的
FIN报文时，先回一个ACK应答报文，而服务端可能还有数据需要处理和发送，等服务端不再发送数据时，才发送FIN报文给客户端来表示同意现在关闭连接。
从上面过程可知，服务端通常需要等待完成数据的发送和处理，所以服务端的 ACK 和 FIN 一般都会分开发送，从而比三次握手导致多了一次。
3）为什么 TIME_WAIT 等待的时间是 2MSL？
MSL是 Maximum Segment Lifetime，报文最大生存时间，它是任何报文在网络上存在的最长时间，超过这个时间报文将被丢弃。
因为 TCP 报文基于是 IP 协议的，而 IP 头中有一个 TTL 字段，是 IP 数据报可以经过的最大路由数，每经过一个处理他的路由器此值就减 1，当此值为 0 则数据报将被丢弃，同时发送 ICMP 报文通知源主机。
MSL 与 TTL 的区别：MSL 的单位是时间，而 TTL 是经过路由跳数。所以 MSL 应该要大于等于 TTL 消耗为 0 的时间，以确保报文已被自然消亡。
TIME_WAIT 等待 2 倍的 MSL，比较合理的解释是：网络中可能存在来自发送方的数据包，当这些发送方的数据包被接收方处理后又会向对方发送响应，所以一来一回需要等待 2 倍的时间。
比如，如果被动关闭方没有收到断开连接的最后的 ACK 报文，就会触发超时重发 Fin 报文，另一方接收到 FIN 后，会重发 ACK 给被动关闭方， 一来一去正好 2 个 MSL。
2MSL 的时间是从客户端接收到 FIN 后发送 ACK 开始计时的。如果在 TIME-WAIT 时间内，因为客户端的 ACK 没有传输到服务端，客户端又接收到了服务端重发的 FIN 报文，那么 2MSL 时间将重新计时。
6、MTU和MSS
-
MTU(MTU: Maxitum Transmission Unit最大传输单元)：一个网络包的最大长度，以太网中一般为1500字节； -
MSS(Maxitum Segment Size 最大分段大小)：除去 IP 和 TCP 头部之后，一个网络包所能容纳的 TCP 数据的最大长度；为了达到最佳的传输效能 TCP 协议在**建立连接的时候通常要协商双方的 MSS 值**，当 TCP 层发现数据超过 MSS 时，则就先会进行分片，当然由它形成的 IP 包的长度也就不会大于 MTU ，自然也就不用 IP 分片了。经过 TCP 层分片后，如果一个 TCP 分片丢失后，**进行重发时也是以 MSS 为单位**，而不用重传所有的分片，大大增加了重传的效率。
7、TCP保活机制
定义一个时间段，在这个时间段内，如果没有任何连接相关的活动，TCP 保活机制会开始作用，每隔一个时间间隔，发送一个探测报文，该探测报文包含的数据非常少，如果连续几个探测报文都没有得到响应，则认为当前的 TCP 连接已经死亡，系统内核将错误信息通知给上层应用程序。
