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前言

运维工作中,最常见的网络通信协议就是TCP/IP协议,这也是很多工作都会接触到基础知识,因此几乎成为了面试的必问问题。

这里就详细说明一下TCP的三次握手和四次挥手,也是最常见必须要掌握的知识点

正文

TCP工作在OSI7层模型中的第4层–传输层。

先看看报文的结构:

报文中,对于运维来说,需要知道一些基础的,比较重要的一些点,有兴趣的可以自行学习更深入的内容。

  • 源端口号/目的端口号: 表示数据从哪个进程来, 到哪个进程去. 数据位为16位二进制,所以端口最大为2的16次方:65536
  • 6位标志位:
    URG: 标识紧急指针是否有效
    ACK: 标识确认序号是否有效
    PSH: 用来提示接收端应用程序立刻将数据从tcp缓冲区读走
    RST: 要求重新建立连接. 我们把含有RST标识的报文称为复位报文段
    SYN: 请求建立连接. 我们把含有SYN标识的报文称为同步报文段
    FIN: 通知对端, 本端即将关闭. 我们把含有FIN标识的报文称为结束报文段

三次握手

TCP的三次握手,就是建立TCP连接时的过程,客户端和服务端共需要发送3个包来实现连接的建立,整个过程如下图:

整个步骤如下:

  1. TCP服务器进程启动, 时刻准备接受客户端进程的连接请求, 此时服务器就进入了 LISTEN(监听)状态
  2. TCP客户端然后向服务器发出连接请求报文,此时报文首部中的同步标志位SYN=1, 同时选择一个初始序列号 seq = x, 此时,TCP客户端进程进入了 SYN-SENT(同步已发送状态)状态。TCP规定, SYN报文段(SYN=1的报文段)不能携带数据,但需要消耗掉一个序号。
  3. TCP服务器收到请求报文后, 如果同意连接, 则发出确认报文。确认报文中的 ACK=1, SYN=1, 确认序号是 x+1, 同时也要为自己初始化一个序列号 seq = y, 此时, TCP服务器进程进入了SYN-RCVD(同步收到)状态。这个报文也不能携带数据, 但是同样要消耗一个序号。
  4. TCP客户端进程收到确认后还, 要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1,确认序号是 y+1,自己的序列号是 x+1.
  5. 此时,TCP连接建立,客户端进入ESTABLISHED(已建立连接)状态。当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态,此后双方就可以开始通信了。

建立连接为什么不用两次,要三次?

  • 因为如果使用的是两次握手建立连接,客户端在发送了第一个请求连接后,如果网络中滞留的时间太长,TCP的客户端迟迟没有收到确认报文,以为服务器没有收到,会重新向服务器发送这条报文,然后客户端和服务器经过两次握手建立连接,然后第一个请求连接由于网络通畅了, 又到达了服务器,那么两次握手的机制将会让客户端和服务器再次建立连接,这将导致不必要的错误和资源的浪费。

四次挥手

即终止TCP连接,就是指断开一个TCP连接时,需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。整个流程如下图所示:

由于TCP连接时全双工的,因此,每个方向都必须要单独进行关闭,这一原则是当一方完成数据发送任务后,发送一个FIN来终止这一方向的连接,收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了,即不会再收到数据了,但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据,直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方则执行被动关闭,上图则是以客户端主动断开为例的整个过程:

  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,确认序号为 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。这时候处于半关闭状态,即客户端已经没有数据要发送了,服务器还可以继续未发送完的数据,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,继续接受服务器发送的未发送完的数据
  4. 服务器将为发送完的数据发送完毕后,就向客户端发送连接释放报文,FIN=1,确认序号为v+1,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,确认序号为w+1,而自己的序列号是u+1,此时,客户端就进入了TIME-WAIT(时间等待)状态。此时TCP连接还没有释放,必须经过2∗MSL报(文最大生存时间)的时间后,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。

为什么建立连接是三次握手,关闭连接确是四次挥手呢?

  • 因为关闭连接时,服务器收到对方的FIN报文时,仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据,而自己也未必全部数据都发送给对方了,所以需要多发送一次确认来表示所有数据发送完毕,可以关闭了,从而导致多了一次。

为什么要有TIME_WAIT状态,要等待2*MSL(报文最大存活时间)

  • 因为如果Client直接CLOSED了,那么由于网络或其他原因,导致Server没有收到Client最后回复的ACK。那么Server就会在超时之后继续发送FIN,此时由于Client已经CLOSED了,就找不到与重发的FIN对应的连接,就会导致连接错误。所以,Client不是直接进入CLOSED,而是要保持TIME_WAIT,当再次收到FIN的时候,能够保证对方收到ACK,最后正确的关闭连接
  • 因为如果Client直接CLOSED后,立马又再向Server发起一个新连接,如果新连接与旧连接端口号相同,然后再如果前一次连接的某些数据仍然滞留在网络中,这些延迟数据在建立新连接之后才到达Server,TCP协议就认为那个延迟的数据是属于新连接的,这样就和真正的新连接的数据包发生混淆了。所以TCP连接还要在TIME_WAIT状态等待2倍MSL,这样可以保证本次连接的所有数据都从网络中消失

结束

这篇只是简单的常见的TCP三次握手和四次挥手的相关知识,但是要了解TCP,还远不止这点东西,TCP里面有很多有趣的机制和规则,详情请查看《TCP详解