TCP/IP详解--TCP三次握手建立连接与四次握手终止连接

1.TCP连接的建立

(1 ）首先是服务器初始化的过程，从 CLOSED （关闭）状态开始通过顺序调用 SOCKET 、 BIND 、 LISTEN 和 ACCEPT 原语创建 Socket 套接字，进入 LISTEN （监听）状态，等待客户端的 TCP 传输连接请求。

     （2）客户端最开始也是从CLOSED状态开始调用SOCKET原语创建新的Socket套接字，然后在需要再调用CONNECT原语，向服务器发送一个将SYN字段置1（表示此为同步数据段）的数据段（假设初始序号为i），主动打开端口，进入到SYNSENT（已发送连接请求，等待对方确认）状态。

   TCP传输连接建立的三次握手过程

     （3）服务器在收到来自客户端的SYN数据段后，发回一个SYN字段置1（表示此为同步数据段），ACK字段置1（表示此为确认数据段），ack（确认号）=i+1的应答数据段（假设初始序号为j），被动打开端口，进入到SYN RCVD（已收到一个连接请求，但未进行确认）状态。这里要注意的是确认号是i+1，而不是i，表示服务器希望接收的下一下数据段序号为i+1。

     （4）客户端在收到来自服务器的SYN+ACK数据段后，向服务器发送一个ACK=1（表示此为确认数据段），序号为i+1，ack=j+1的确认数据段，同时进入ESTABLISHED（连接建立）状态，建立单向连接。要注意的是，此时序号为i+1，确认号为j+1，表示客户端希望收到服务器的下一个数据段的序号j+1。

     （5）服务器在收到客户端的ACK数据段后，进入ESTABLISHED状态，完成双向连接的建立。

双方同时主动连接的TCP连接建立过程

     正常情况下，传输连接都是由一方主动发起的，但也有可能双方同时主动发起连接，此时就会发生连接碰撞，最终只有一个连接能够建立起来。因为所有连接都是由它们的端点进行标识的。如果第一个连接请求建立起一个由套接字（x,y）标识的连接，而第二个连接也建立了这样一个连接，那么在TCP实体内部只有一个套接字表项。

      当出现同时发出连接请求时，则两端几乎在同时发送一个SYN字段置1的数据段，并进入SYN_SENT状态。当每一端收到SYN数据段时，状态变为SYN_RCVD，同时它们都再发送SYN字段置1，ACK字段置1的数据段，对收到的SYN数据段进行确认。当双方都收到对方的SYN+ACK数据段后，便都进入ESTABLISHED状态。图10-39显示了这种同时发起连接的连接过程，但最终建立的是一个TCP连接，而不是两个，这点要特别注意。

图 10-39 同时发起连接的TCP连接建立流程

      从图中可以看出，一个双方同时打开的传输连接需要交换4数据段，比正常的传输连接建立所进行的三次握手多交换一个数据段。此外要注意的是，此时我们没有将任何一端称为客户或服务器，因为每一端既是客户又是服务器。

 

2.TCP连接的释放

     

     在数据传输完毕之后，通信双方都可以发出释放连接的请求。释放连接的过程为如上图所示：

     1）数据传输结束后，主机A的应用进程先向其TCP发出释放连接请求，不在发送数据。TCP通知对方要释放从A到B的连接，将发往主机B的TCP报文段首部的终止比特FIN置为1，序号u等于已传送数据的最后一个字节的序号加1。

     2）主机B的TCP收到释放连接通知后发出确认，其序号为u+1，同时通知应用进程，这样A到B的连接就释放了，连接处于半关闭状态。主机B不在接受主机A发来的数据；但主机B还向A发送数据，主机A若正确接收数据仍需要发送确认。

     3）在主机B向主机A的数据发送结束后，其应用进程就通知TCP释放连接。主机B发出的连接释放报文段必须将终止比特置为1，并使其序号w等于前面已经传送过的数据的最后一个字节的序号加 1，还必须重复上次已发送过的ACK=u+1。

     4）主机A对主机B的连接释放报文段发出确认，将ACK置为1，ACK=w+1, seq=u+1。这样才把从B到A的反方向连接释放掉，主机A的TCP再向其应用进程报告，整个连接已经全部释放。

 

2. 双方主动关闭的TCP连接释放流程

     与可以双方同时建立TCP传输连接一样，TCP传输连接关闭也可以由双方同时主动进行（正常情况下都是由一方发送第一个FIN数据段进行主动连接关闭，另一方被动接受连接关闭），如图10-41所示。具体描述如下：

  同时主动关闭TCP连接的流程

        当两端对应的网络应用层进程同时调用CLOSE原语，发送FIN数据段执行关闭命令时，两端均从ESTABLISHED状态转变为FIN WAIT 1状态。任意一方收到对端发来的FIN数据段后，其状态均由FIN WAIT 1转变到CLOSING状态，并发送最后的ACK数据段。当收到最后的ACK数据段后，状态转变化TIME_WAIT，在等待2MSL后进入到CLOSED状态，最终释放整个TCP传输连接。

3.注意的问题

• 三次握手建立连接时，发送方再次发送确认的必要性
• • 主要是为了防止已失效的连接请求报文段突然又传到了B,因而产生错误。假定出现一种异常情况，即A发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某些网络结点长时间滞留了，一直延迟到连接释放以后的某个时间才到达B，本来这是一个早已失效的报文段。但B收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是A又发出一次新的连接请求，于是就向A发出确认报文段，同意建立连接。假定不采用三次握手，那么只要B发出确认，新的连接就建立了，这样一直等待A发来数据，B的许多资源就这样白白浪费了。
  • 三次握手是连接两端正确同步的充要条件，因为TCP建立在不可靠的分组传输服务之上，报文可能丢失、延迟、重复和乱序，因此协议必须使用超时和重传机制。如果重传的连接请求和原先的连接请求在连接正在建立时到达，或者当一个连接已经建立、使用和结束之后，某个延迟的连接请求才到达，就会出现问题。采用三次握手协议就可以解决这些问题。如客户端发送的ACK数据段就是为了避免因网络延迟而导致的重复连接，因为这时客户端就可通过检查ACK数据段中的确认号就可得知该连接请求是否已失效。
    
• 四次挥手释放连接时，等待2MSL的意义

• • 1）可靠地实现TCP全双工连接的终止        第一，为了保证A发送的最有一个ACK报文段能够到达B。这个ACK报文段有可能丢失，因而使处在LAST-ACK状态的B收不到对已发送的FIN和ACK报文段的确认。B会超时重传这个FIN和ACK报文段，而A就能在2MSL时间内收到这个重传的ACK+FIN报文段。接着A重传一次确认。在进行关闭连接四路握手协议时，最后的ACK是由主动关闭端发出的，如果这个最终的ACK丢失，服务器将重发最终的FIN，因此客户端必须维护状态信息允 许它重发最终的ACK。如果不维持这个状态信息，那么客户端将响应RST分节，服务器将此分节解释成一个错误（在java中会抛出connection reset的SocketException)。因而，要实现TCP全双工连接的正常终止，必须处理终止序列四个分节中任何一个分节的丢失情况，主动关闭 的客户端必须维持状态信息进入TIME_WAIT状态。

  • 2）允许老的重复分节在网络中消逝  
        TCP分节可能由于路由器异常而“迷途”，在迷途期间，TCP发送端可能因确认超时而重发这个分节，迷途的分节在路由器修复后也会被送到最终目的地，这个 原来的迷途分节就称为lost duplicate。在关闭一个TCP连接后，马上又重新建立起一个相同的IP地址和端口之间的TCP连接，后一个连接被称为前一个连接的化身 （incarnation)，那么有可能出现这种情况，前一个连接的迷途重复分组在前一个连接终止后出现，从而被误解成从属于新的化身。为了避免这个情 况，TCP不允许处于TIME_WAIT状态的连接启动一个新的化身，因为TIME_WAIT状态持续2MSL，就可以保证当成功建立一个TCP连接的时 候，来自连接先前化身的重复分组已经在网络中消逝。

  • TIME_WAIT的优缺点：

    短时间的多次请求可能会导致服务器上存在很多的TIME_WAIT，那么导致端口被用尽，无法继续访问应用程序。四次握手关闭也不是必须的，也可以通过套接字选项设置不需要关注TIME_WAIT状态。

4.TCP的有限状态机

     连接的建立和释放所要求的步骤可以用一个有限状态机来表达，该状态机有11种状态。每一种状态中都存在一些合法的事件，当合法事件发生的时候，可能需要采取某个动作。当其他事件发生的时候，则报告一个错误。

状 态	描 述
CLOSED	关闭状态，没有连接活动或正在进行
LISTEN	监听状态，服务器正在等待连接进入
SYN RCVD	收到一个连接请求，尚未确认
SYN SENT	已经发出连接请求，等待确认
ESTABLISHED	连接建立，正常数据传输状态
FIN WAIT 1	（主动关闭）已经发送关闭请求，等待确认
FIN WAIT 2	（主动关闭）收到对方关闭确认，等待对方关闭请求
TIMED WAIT	完成双向关闭，等待所有分组死掉
CLOSING	双方同时尝试关闭，等待对方确认
CLOSE WAIT	（被动关闭）收到对方关闭请求，已经确认
LAST ACK	（被动关闭）等待最后一个关闭确认，并等待所有分组死掉

TCP建立与释放的变迁如图所示：

 

 

• 客户进程变迁的过程（粗实线）
• • 连接建立：设一个主机的客户进程发起连接请求（主动打开），这时本地TCP实体就创建传输控制快（TCB），发送一个SYN为1的报文，进入SYN_SENT状态。当收到来自进程的SYN和ACK时，TCP就发送出三次握手中的最后一个ACK，进而进入连接已经建立的状态ESTABLISHED。
  • 连接释放：设运行客户进程主机本地TCP实体发送一个FIN置为1的报文，等待着确认ACK的到达，此时状态变为FIN_WAIT_1。当运行客户进程主机收到确认ACK时，则一个方向的连接已经关闭。状态变成FIN_WAIT_2。当运行客户进程的主机收到运行服务器进程的主机发送的FIN置为1的报文后，应响应确认ACK时，这是另一个连接关闭。但此时TCP还要等待一段时间后才删除原来建立的连接记录。返回到初始的CLOSED状态，这是为了保证原来连接上的所有分组都从网络中消失了。
• 服务器进程变迁的过程（粗虚线）
• • 连接建立：服务器进程发出被动打开，进入监听状态LISTEN。当收到SYN置为1的连接请求报文后，发送确认ACK，并且报文中的SYN也置为1，然后进入SYN_RCVD状态。在收到三次握手最后一个确认ACK时，就转为ESTABLISHED状态。
  • 连接释放：当客户进程的数据已经传送完毕。就发出FIN置为1的报文给服务器进程，进入CLOSE_WAIT状态。服务器进程发送FIN报文段给客户进程，状态变为LAST_ACK状态。当收到客户进程的ACK时，服务器进程就释放连接。删除连接记录。回到原来的CLOSED状态。