易懂理解TCP/IP三次握手与四次挥手

来源:网络 文章列表 2019-09-06 8
简单明了的介绍tcp链接中的3次握手,4次挥手的解释!

背景

和女朋友异地恋一年多,为了保持感情我提议每天晚上视频聊天一次。

从好上开始,到现在,一年多也算坚持下来了。

问题

有时候聊天的过程中,我的网络或者她的网络可能会不好,视频就会卡住,听不到对方的声音,过一会儿之后才会恢复。

中间双方可能就要不断的确认网络是否恢复,但是有时候会:

她:“你可以听到了吗?”

我:“可以了,你呢?”、

她:“喂喂,你可以听到了吗?”

我:“可以了,我可以听到了,你呢?”

她:“你可以听到了吗?”

.....

这种情况很蛋疼,那么怎样才能找一个简单的办法,让两个人都确认自己可以听到对方的声音,对方也可以听到自己的声音呢?

注:以下情节纯属虚构

 

方案

TCP建立连接为什么是三次握手,而不是两次或四次?

TCP,名为传输控制协议,是一种可靠的传输层协议,IP协议号为6。

顺便说一句,原则上任何数据传输都无法确保绝对可靠,三次握手只是确保可靠的基本需要。

举个日常例子,打电话时我们对话如下:

对应为客户端与服务器之间的通信:

 

四次挥手

4次挥手理解:

  • 发起方向被动方发送报文,Fin、Ack、Seq,表示已经没有数据传输了。并进入 FIN_WAIT_1 状态。(第一次挥手:由浏览器发起的,发送给服务器,我请求报文发送完了,你准备关闭吧)
  • 被动方发送报文,Ack、Seq,表示同意关闭请求。此时主机发起方进入 FIN_WAIT_2 状态。(第二次挥手:由服务器发起的,告诉浏览器,我请求报文接受完了,我准备关闭了,你也准备吧)
  • 被动方向发起方发送报文段,Fin、Ack、Seq,请求关闭连接。并进入 LAST_ACK 状态。(第三次挥手:由服务器发起,告诉浏览器,我响应报文发送完了,你准备关闭吧)
  • 发起方向被动方发送报文段,Ack、Seq。然后进入等待 TIME_WAIT 状态。被动方收到发起方的报文段以后关闭连接。发起方等待一定时间未收到回复,则正常关闭。(第四次挥手:由浏览器发起,告诉服务器,我响应报文接受完了,我准备关闭了,你也准备吧)

 

为什么要4次挥手?

确保数据能够完整传输。

当被动方收到主动方的FIN报文通知时,它仅仅表示主动方没有数据再发送给被动方了。

但未必被动方所有的数据都完整的发送给了主动方,所以被动方不会马上关闭SOCKET,它可能还需要发送一些数据给主动方后,

再发送FIN报文给主动方,告诉主动方同意关闭连接,所以这里的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的。

 

TCP报文格式

上图中有几个字段需要重点介绍下:

  (1)序号:Seq序号,占32位,用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流,发起方发送数据时对此进行标记。

  (2)确认序号:Ack序号,占32位,只有ACK标志位为1时,确认序号字段才有效,Ack=Seq+1。

  (3)标志位:共6个,即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等,具体含义如下:

  (A)URG:紧急指针(urgent pointer)有效。

  (B)ACK:确认序号有效。

  (C)PSH:接收方应该尽快将这个报文交给应用层。

  (D)RST:重置连接。

  (E)SYN:发起一个新连接。

  (F)FIN:释放一个连接。

 

 需要注意的是:

  (A)不要将确认序号Ack与标志位中的ACK搞混了。

  (B)确认方Ack=发起方Req+1,两端配对。 

 

三次握手图解:

第一次握手:建立连接时,客户端发送syn包(syn=j)到服务器,并进入SYN_SENT状态,等待服务器确认;SYN:同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers)。

第二次握手:服务器收到syn包,必须确认客户的SYN(ack=j+1),同时自己也发送一个SYN包(syn=k),即SYN+ACK包,此时服务器进入SYN_RECV状态;

第三次握手:客户端收到服务器的SYN+ACK包,向服务器发送确认包ACK(ack=k+1),此包发送完毕,客户端和服务器进入ESTABLISHED(TCP连接成功)状态,完成三次握手。

 

四次挥手图解过程 

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。
 

TCP链接常见面试题

【问题1】为什么连接的时候是三次握手,关闭的时候却是四次握手?

答:因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后,可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的,SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时,当Server端收到FIN报文时,很可能并不会立即关闭SOCKET,所以只能先回复一个ACK报文,告诉Client端,"你发的FIN报文我收到了"。只有等到我Server端所有的报文都发送完了,我才能发送FIN报文,因此不能一起发送。故需要四步握手。

 

【问题2】为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态?

答:虽然按道理,四个报文都发送完毕,我们可以直接进入CLOSE状态了,但是我们必须假象网络是不可靠的,有可以最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。在Client发送出最后的ACK回复,但该ACK可能丢失。Server如果没有收到ACK,将不断重复发送FIN片段。所以Client不能立即关闭,它必须确认Server接收到了该ACK。Client会在发送出ACK之后进入到TIME_WAIT状态。Client会设置一个计时器,等待2MSL的时间。如果在该时间内再次收到FIN,那么Client会重发ACK并再次等待2MSL。所谓的2MSL是两倍的MSL(Maximum Segment Lifetime)。MSL指一个片段在网络中最大的存活时间,2MSL就是一个发送和一个回复所需的最大时间。如果直到2MSL,Client都没有再次收到FIN,那么Client推断ACK已经被成功接收,则结束TCP连接。

 

【问题3】为什么不能用两次握手进行连接?

答:3次握手完成两个重要的功能,既要双方做好发送数据的准备工作(双方都知道彼此已准备好),也要允许双方就初始序列号进行协商,这个序列号在握手过程中被发送和确认。

现在把三次握手改成仅需要两次握手,死锁是可能发生的。作为例子,考虑计算机S和C之间的通信,假定C给S发送一个连接请求分组,S收到了这个分组,并发 送了确认应答分组。按照两次握手的协定,S认为连接已经成功地建立了,可以开始发送数据分组。可是,C在S的应答分组在传输中被丢失的情况下,将不知道S 是否已准备好,不知道S建立什么样的序列号,C甚至怀疑S是否收到自己的连接请求分组。在这种情况下,C认为连接还未建立成功,将忽略S发来的任何数据分 组,只等待连接确认应答分组。而S在发出的分组超时后,重复发送同样的分组。这样就形成了死锁。

 

【问题4】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秒钟发送一次。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。

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