TCP 三次握手 和 四次挥手

在聊到网络协议的时候,总是会说到TCP的三次握手和四次挥手,这里也整理记录下学习的整个过程。

TCP

三次握手

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三次握手是 TCP 连接的建立过程。在握手之前,主动打开连接的客户端结束 CLOSE 阶段,被动打开的服务器也结束 CLOSE 阶段,并进入 LISTEN 阶段。随后进入三次握手阶段:
① 首先客户端向服务器发送一个 SYN 包,并等待服务器确认,其中:

  • 标志位为 SYN,表示请求建立连接;
  • 序号为 Seq = x(x 一般为 1);
  • 随后客户端进入 SYN-SENT 阶段。

② 服务器接收到客户端发来的 SYN 包后,对该包进行确认后结束 LISTEN 阶段,并返回一段 TCP 报文,其中:

  • 标志位为 SYN 和 ACK,表示确认客户端的报文 Seq 序号有效,服务器能正常接收客户端发送的数据,并同意创建新连接;
  • 序号为 Seq = y;
  • 确认号为 Ack = x + 1,表示收到客户端的序号 Seq 并将其值加 1 作为自己确认号 Ack 的值,随后服务器端进入 SYN-RECV 阶段。

③ 客户端接收到发送的 SYN + ACK 包后,明确了从客户端到服务器的数据传输是正常的,从而结束 SYN-SENT 阶段。并返回最后一段报文。其中:

  • 标志位为 ACK,表示确认收到服务器端同意连接的信号;
    序号为 Seq = x + 1,表示收到服务器端的确认号 Ack,并将其值作为自己的序号值;
  • 确认号为 Ack= y + 1,表示收到服务器端序号 seq,并将其值加 1 作为自己的确认号 Ack 的值。
  • 随后客户端进入 ESTABLISHED。

当服务器端收到来自客户端确认收到服务器数据的报文后,得知从服务器到客户端的数据传输是正常的,从而结束 SYN-RECV 阶段,进入 ESTABLISHED 阶段,从而完成三次握手。

四次挥手

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四次挥手即 TCP 连接的释放,这里假设客户端主动释放连接。在挥手之前主动释放连接的客户端结束 ESTABLISHED 阶段,随后开始四次挥手:

① 首先客户端向服务器发送一段 TCP 报文表明其想要释放 TCP 连接,其中:

  • 标记位为 FIN,表示请求释放连接;
  • 序号为 Seq = u;
  • 随后客户端进入 FIN-WAIT-1 阶段,即半关闭阶段,并且停止向服务端发送通信数据。

② 服务器接收到客户端请求断开连接的 FIN 报文后,结束 ESTABLISHED 阶段,进入 CLOSE-WAIT 阶段并返回一段 TCP 报文,其中:

  • 标记位为 ACK,表示接收到客户端释放连接的请求;
    序号为 Seq = v;
  • 确认号为 Ack = u + 1,表示是在收到客户端报文的基础上,将其序号值加 1 作为本段报文确认号 Ack 的值;
  • 随后服务器开始准备释放服务器端到客户端方向上的连接。
  • 客户端收到服务器发送过来的 TCP 报文后,确认服务器已经收到了客户端连接释放的请求,随后客户端结束 FIN-WAIT-1 阶段,进入 FIN-WAIT-2 阶段。

③ 服务器端在发出 ACK 确认报文后,服务器端会将遗留的待传数据传送给客户端,待传输完成后即经过 CLOSE-WAIT 阶段,便做好了释放服务器端到客户端的连接准备,再次向客户端发出一段 TCP 报文,其中:

  • 标记位为 FIN 和 ACK,表示已经准备好释放连接了;
    序号为 Seq = w;
  • 确认号 Ack = u + 1,表示是在收到客户端报文的基础上,将其序号 Seq 的值加 1 作为本段报文确认号 Ack 的值。
  • 随后服务器端结束 CLOSE-WAIT 阶段,进入 LAST-ACK 阶段。并且停止向客户端发送数据。

④ 客户端收到从服务器发来的 TCP 报文,确认了服务器已经做好释放连接的准备,于是结束 FIN-WAIT-2 阶段,进入 TIME-WAIT 阶段,并向服务器发送一段报文,其中:

  • 标记位为 ACK,表示接收到服务器准备好释放连接的信号;
  • 序号为 Seq= u + 1,表示是在已收到服务器报文的基础上,将其确认号 Ack 值作为本段序号的值;
  • 确认号为 Ack= w + 1,表示是在收到了服务器报文的基础上,将其序号 Seq 的值作为本段报文确认号的值。

随后客户端开始在 TIME-WAIT 阶段等待 2 MSL。服务器端收到从客户端发出的 TCP 报文之后结束 LAST-ACK 阶段,进入 CLOSED 阶段。由此正式确认关闭服务器端到客户端方向上的连接。客户端等待完 2 MSL 之后,结束 TIME-WAIT 阶段,进入 CLOSED 阶段,由此完成「四次挥手」。

Q&A

1、为什么要进行三次握手?两次握手可以吗?
三次握手保证两点:

  • 保证双方都是双工通信
    第一次握手,服务端确定客户端的发送正常
    第二次握手,客户端确认服务端的收发正常
    第三次握手,服务端确定客服端接收正常
  • 如果只有第二次握手,服务端发给客服端的包丢了之后,服务端就直接建立了连接,然后一直傻等,不会释放,造成阻塞!

2、如果三次握手的时候每次握手信息对方没有收到会怎么样

  • 若第一次握手服务器未接收到客户端请求建立连接的数据包时,服务器不会进行任何相应的动作,而客户端由于在一段时间内没有收到服务器发来的确认报文, 因此会等待一段时间后重新发送 SYN 同步报文,若仍然没有回应,则重复上述过程直到发送次数超过最大重传次数限制后,建立连接的系统调用会返回 -1。
  • 若第二次握手客户端未接收到服务器回应的 ACK 报文时,客户端会采取第一次握手失败时的动作,这里不再重复,而服务器端此时将阻塞在 accept() 系统调用处等待 client 再次发送 ACK 报文。
  • 若第三次握手服务器未接收到客户端发送过来的 ACK 报文,同样会采取类似于客户端的超时重传机制,若重传次数超过限制后仍然没有回应,则 accep() 系统调用返回 -1,服务器端连接建立失败。但此时客户端认为自己已经连接成功了,因此开始向服务器端发送数据,但是服务器端的 accept() 系统调用已返回,此时没有在监听状态。因此服务器端接收到来自客户端发送来的数据时会发送 RST 报文给 客户端,消除客户端单方面建立连接的状态。

3、为什么要四次挥手?

  • 释放 TCP 连接时之所以需要四次挥手,是因为 FIN 释放连接报文和 ACK 确认接收报文是分别在两次握手中传输的。 当主动方在数据传送结束后发出连接释放的通知,由于被动方可能还有必要的数据要处理,所以会先返回 ACK 确认收到报文。当被动方也没有数据再发送的时候,则发出连接释放通知,对方确认后才完全关闭TCP连接。

  • 举个例子:A 和 B 打电话,通话即将结束后,A 说“我没啥要说的了”,B回答“我知道了”,但是 B 可能还会有要说的话,A 不能要求 B 跟着自己的节奏结束通话,于是 B 可能又巴拉巴拉说了一通,最后 B 说“我说完了”,A 回答“知道了”,这样通话才算结束。

END!

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