三次握手与四次释放
2016-06-13 21:17
TCP/IP协议是一个协议簇，里面包括很多协议的，UDP只是其中的一个。之所以命名为TCP/IP协议，因为TCP，IP协议是两个很重要的协议，就用他两命名了。
UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）
（1） UDP是一个非连接的协议，传输数据之前源端和终端不建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。在发送端，UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽的限制；在接收端，UDP把每个消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读一个消息段。
TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）
小结TCP与UDP的区别：
1.基于连接与无连接；
2.对系统资源的要求（TCP较多，UDP少）；
3.UDP程序结构较简单；
4.流模式与数据报模式 ；
5.TCP保证数据正确性，UDP可能丢包，TCP保证数据顺序，UDP不保证。
TCP：面向连接、传输可靠(保证数据正确性,保证数据顺序)、用于传输大量数据(流模式)、速度慢，建立连接需要开销较多(时间，系统资源)。
UDP：面向非连接、传输不可靠、用于传输少量数据(数据包模式)、速度快。
（一）TCP通信过程
TCP通信过程包括三个步骤：建立连接、传输数据、断开连接，如下图所示。
1)连接连接，因为tcp是面向连接的协议，也就是说，在收发数据前，必须和对方建立可靠的连接。一个TCP连接必须要经过三次“对话”才能建立起来。
2)建立好连接后，开始传输数据。TCP数据传输牵涉到的概念很多：超时重传、快速重传、流量控制、拥塞控制等等。
3)通过四次握手完成断开TCP连接
先简单的描述下三次对话的思路：
第一次对话：主机A向主机B发出连接请求数据包：“我想给你发数据，可以吗？”；
第二次对话：主机B向主机A发送同意连接和要求同步的数据包：“可以，你什么时候发？（同步就是两台主机一个在发送，一个在接收，协调工作）；
第三次对话：主机A再发出一个数据包确认主机B的要求同步：“我现在就发，你接着吧！”
三次“对话”的目的是使数据包的发送和接收同步，经过三次“对话”之后，主机A才向主机B正式发送数据。
补充：
ACK：(Acknowledgement) 确认标志位，有两个取值：0和1，为1的时候表示应答域有效，反之为0；
SYN：(synchronous)同步标志位；
SYN标志位和ACK标志位搭配使用，当连接请求的时候，SYN=1，ACK=0；连接被响应的时候，SYN=1，ACK= 1
seq：(sequence)，seq是数据包本身的序列号
FIN：(finish)表示关闭连接
（二）、三次握手过程
1 主机A通过向主机B 发送一个含有同步标志位的数据段给主机B ，向主机B 请求建立连接，通过这个数据段，主机A告诉主机B 两件事：我想要和你通信；你可以用哪个序列号作为起始数据段来回应我，此时并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认。
2 主机B 收到主机A的请求后，用一个带有确认应答(ACK)和同步序列号(SYN)标志位的数据段响应主机A,也告诉主机A两件事：我已经收到你的请求了，你可以传输数据了；你要用哪个序列号作为起始数据段来回应我。必须确认客户的SYN（ack=x+1），同时自己也发送一个SYN包（seq=y），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；receive
3 主机A收到这个数据段后，再发送一个确认应答，确认已收到主机B 的数据段："我已收到回复,我现在要开始传输实际数据了。”向服务器发送确认包ACK(ack=y+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。Established
这样3次握手就完成了，主机A和主机B 就可以传输数据了.
握手过程中传送的包里不包含数据，三次握手完毕后，客户端与服务器才正式开始传送数据。理想状态下，TCP连接一旦建立，在通信双方中的任何一方主动关闭连接之前，TCP 连接都将被一直保持下去。
（二）、四次断开过程
TCP建立连接要进行3次握手，而断开连接要进行4次
1 当主机A完成数据传输后，将控制位FIN置1，用来关闭A方到B方的数据传送，也就是A方告诉B方：我已经不会再给你发数据了(当然，在fin包之前发送出去的数据，如果没有收到对应的ack确认报文，A方依然会重发这些数据)，但此时A还可以接受数据。
2 主机B收到收到FIN包后，将ACK置1发送给A方，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），确认这一方向上的TCP连接将关闭，
3 由B 端再提出反方向的关闭请求，将FIN置1发送给A方，用来B方到A方的数据传送，也就是告诉A方，我的数据也发送完了，不会再给你发数据了。
4 主机A对主机B的请求进行确认，将ACK置1送给B，确认序号为收到序号+1，双方向的关闭结束
由TCP的三次握手和四次断开可以看出，TCP使用面向连接的通信方式，大大提高了数据通信的可靠性,使发送数据端和接收端在数据正式传输前就有了交互，为数据正式传输打下了可靠的基础。
状态图详细解读：
- CLOSED：起始点，在超时或者连接关闭时候进入此状态。
- LISTEN：服务端在等待连接过来时候的状态，服务端为此要调用socket，bind,listen函数，就能进入此状态。此称为应用程序被动打开（等待客户端来连接）。
- SYN_SENT:客户端发起连接，发送SYN给服务器端。如果服务器端不能连接，则直接进入CLOSED状态 send sent
- SYN_RCVD：跟3对应，服务器端接受客户端的SYN请求，服务器端由LISTEN状态进入SYN_RCVD状态。同时服务器端要回应一个ACK，同时发送一个SYN给客户端；另外一种情况，客户端在发起SYN的同时接收到服务器端得SYN请求，客户端就会由SYN_SENT到SYN_RCVD状态。 Received
- ESTABLISHED：服务器端和客户端在完成3次握手进入状态，说明已经可以开始传输数据了。
以上是建立连接时服务器端和客户端产生的状态转移说明。相对来说比较简单明了，如果你对三次握手比较熟悉，建立连接时的状态转移还是很容易理解。
下面，我们来看看连接关闭时候的状态转移说明，关闭需要进行4次双方的交互，还包括要处理一些善后工作（TIME_WAIT状态），注意，这里主动关闭的一方或被动关闭的一方不是指特指服务器端或者客户端，是相对于谁先发起关闭请求来说的：
- FIN_WAIT_1:主动关闭的一方，由状态5进入此状态。具体的动作是发送FIN给对方。
- FIN_WAIT_2:主动关闭的一方，接收到对方的FIN-ACK(即fin包的回应包)，进入此状态。
- .CLOSE_WAIT：接收到FIN以后，被动关闭的一方进入此状态。具体动作是接收到FIN，同时发送ACK。(之所以叫close_wait可以理解为被动关闭方此时正在等待上层应用发出关闭连接指令)
- LAST_ACK：被动关闭的一方，发起关闭请求，由状态8进入此状态。具体动作是发送FIN给对方，同时在接收到ACK时进入CLOSED状态。
- CLOSING：两边同时发起关闭请求时，会由FIN_WAIT_1进入此状态。具体动作是接收到FIN请求，同时响应一个ACK。
- TIME_WAIT：最纠结的状态来了。从状态图上可以看出，有3个状态可以转化成它，我们一一来分析：
- 由FIN_WAIT_2进入此状态：在双方不同时发起FIN的情况下，主动关闭的一方在完成自身发起的关闭请求后，接收到被动关闭一方的FIN后进入的状态。正常状态
- 由CLOSING状态进入:双方同时发起关闭，都做了发起FIN的请求，同时接收到了FIN并做了ACK的情况下，由CLOSING状态进入。图像说明的清晰
- 由FIN_WAIT_1状态进入：同时接受到FIN（对方发起），ACK（本身发起的FIN回应），与b的区别在于本身发起的FIN回应的ACK先于对方的FIN请求到达，而b是FIN先到达。这种情况概率最小。
关闭的4次连接最难理解的状态是TIME_WAIT，存在TIME_WAIT的2个理由：
1.可靠地实现TCP全双工连接的终止。
2.允许老的重复分节在网络中消逝。
（三）、传输数据过程
a.超时重传
超时重传机制用来保证TCP传输的可靠性。每次发送数据包时，发送的数据报都有seq号，接收端收到数据后，会回复ack进行确认，表示某一seq号数据已经收到。发送方在发送了某个seq包后，等待一段时间，如果没有收到对应的ack回复，就会认为报文丢失，会重传这个数据包。
b.快速重传
接受数据一方发现有数据包丢掉了。就会发送ack报文告诉发送端重传丢失的报文。如果发送端连续收到标号相同的ack包（一直告诉发送端没有收到数据包），则会触发客户端的快速重传。比较超时重传和快速重传，可以发现超时重传是发送端在傻等超时，然后触发重传；而快速重传则是接收端主动告诉发送端数据没收到，然后触发发送端重传。
c.流量控制
这里主要说TCP滑动窗流量控制。TCP头里有一个字段叫Window，又叫Advertised-Window，这个字段是接收端告诉发送端自己还有多少缓冲区可以接收数据。于是发送端就可以根据这个接收端的处理能力来发送数据，而不会导致接收端处理不过来。 滑动窗可以是提高TCP传输效率的一种机制。
(累计ACK减少了TCP传输过程中所需的ACK流量。通过流量管理，TCP连接两端的工作能力可以匹配，从而减少不不要的传输浪费。累计ACK和流量控制都是TCP协议的重要特征。)
d.拥塞控制
滑动窗用来做流量控制。流量控制只关注发送端和接受端自身的状况，而没有考虑整个网络的通信情况。拥塞控制，则是基于整个网络来考虑的。考虑一下这样的场景：某一时刻网络上的延时突然增加，那么，TCP对这个事做出的应对只有重传数据，但是，重传会导致网络的负担更重，于是会导致更大的延迟以及更多的丢包，于是，这个情况就会进入恶性循环被不断地放大。试想一下，如果一个网络内有成千上万的TCP连接都这么行事，那么马上就会形成“网络风暴”，TCP这个协议就会拖垮整个网络。为此，TCP引入了拥塞控制策略。拥塞策略算法主要包括：慢启动，拥塞避免，拥塞发生，快速恢复。
