【计算机网络】——TCP三次握手和四次挥手

TCP连接的建立采用客户服务器方式,主要发起连接建立的应用进程叫做客户端,而被动等待连接建立的应用进程叫做服务端

三次握手
TCP建立连接的过程叫做握手,握手需要在客户端和服务器之间交换三个报文段。假设主机A运行的是TCP客户程序,而B运行TCP服务器程序。最初两端的TCP进程都处于CLOSED(关闭)状态。一开始,B的TCP服务器进程先创建传输控制块TCB,准备接收客户端的连接请求,然后服务器进程就处于LISTEN(收听)状态,等待客户端的连接请求,如有,即作出响应。A的TCP客户进程也是首先创建传输控制模块TCB,然后,在打算建立TCP连接时,向B发出连接请求报文段,这时首部中的同步位SYN=1,同时选择一个初始序号seq=x,这是第一次握手。B收到连接请求报文段后,如同意建立连接,则向A发送确认,在确认报文段中应把SYN位和ACK位都置1,确认号是ack=x+1,同时也为自己选择一个初始序号seq=y,这是第二次握手。TCP客户进程收到B的确认之后,还要向B给出确认,将确认报文段的ACK置1,确认号ack=y+1,而自己的序号seq=x+1,这是第三次握手。
TCP建立连接的过程叫做握手,握手需要在客户端和服务器之间交换三个报文段

假设主机A运行的是TCP客户程序,而B运行TCP服务器程序。最初两端的TCP进程都处于CLOSED(关闭)状态。
一开始,B的TCP服务器进程先创建传输控制块TCB,准备接收客户端的连接请求,然后服务器进程就处于LISTEN(收听)状态,等待客户的连接请求,如有,即作出响应。
A的TCP客户进程也是首先创建传输控制模块TCB,然后,在打算建立TCP连接时,向B发出连接请求报文段,这时首部中的同步位SYN=1,同时选择一个初始序号seq=x。TCP规定,SYN报文段(即SYN=1的报文段)不能携带数据,但要消耗一个序号,这时,TCP客户进程进入SYN-SENT(同步已发送)状态。
B收到连接请求报文段后,如同意建立连接,则向A发送确认,在确认报文段中应把SYN位和ACK位都置1,确认号是ack=x+1,同时也为自己选择一个初始序号seq=y。请注意,这个报文段也不能携带数据,但同样要消耗一个序号,这时TCP服务器进程进入SYN-RCVD(同步收到)状态。
TCP客户进程收到B的确认之后,还要向B给出确认,将确认报文段的ACK置1,确认号ack=y+1,而自己的序号seq=x+1。TCP的标准规定,ACK报文段可以携带数据,但如果不携带数据则不消耗序号,在这种情况下,下一个数据报文段的序号仍是seq=x+1。这时,TCP连接已建立,进入ESTABLISHED(已确认连接)状态。
当B收到A的确认之后,也进入ESTABLISHED状态。

传输控制块TCB存储了每一个连接中的一些重要信息,如:TCP连接表,指向发送和接收缓存的指针,指向重传队列的指针,当前的发送和接收序号等等。

为什么要第三次握手?
有两个原因:第一个是如果只有两次握手的话,有这样一种异常情况会发生,客户端A发出连接请求,但因为网络的原因,在网络节点长时间滞留了,A因为没有收到服务端的确认而再重传了一次请求,后来收到了确认,建立了连接,后来那个因网络延迟的请求也到达了B,B以为是新的连接请求,于是向A发出了确认,由于此时A并没有发出建立连接的请求,所以并不会理睬B的确认,也不会向B发送数据。但B以为建立了连接,一直在等待A发送数据,这样一来B的很多资源就被白白浪费了;第二个原因是要确保通信双方发送、接收都正常,第一次握手的时候,客户端什么都不能确认,接收端可以确认对方发送正常、自己接收正常,第二次握手的时候,客户端确认了自己发送、接收正常,对方发送、接收正常,第三次握手的时候服务端确认了自己发送、接收正常,对方发送、接收正常,这样三次握手就可以确认双方通信正常,缺一不可。

A最后为什么还要发送一次确认?
这主要是为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了B,因而产生错误。
所谓“已失效的连接请求报文段”是这样产生的,考虑一种正常情况,A发出连接请求,但因连接请求报文丢失而未收到确认。于是A再重传一次连接请求,后来收到了确认,建立了连接。数据传输完毕后,就释放了连接。A共发送了两个连接请求报文段,其中第一个丢失,第二个到达了B,没有“已失效的连接请求报文段”。
现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,而是在某些网络节点长时间滞留了,以致延误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。假定不采用报文握手,那么只要B发出确认,新的连接就建立了。
由于现在A并没有发出建立连接的请求,因此不会理睬B的确认,也不会向B发送数据。但B却认为新的传输连接已经建立了,并一直等待A发来数据,B的许多资源就这样被白白浪费了。
采用三次报文握手的方法,可以防止上述现象的发生,例如在刚才异常情况下,就知道A并没有要求建立连接。

为什么要三次握手?
三次握手的目的是建立可靠的通信信道,双方确认自己与对方的发送和接收是正常的。
第一次握手客户端什么都不能确认,服务端确认了对方发送正常,自己接收正常,确认不了自己发送和对方接收是否正常
第二次握手客户端确认了自己发送、接收正常,对方发送、接收正常
第三次握手服务端确认了自己发送、接收正常,对方发送、接收正常
所以三次握手就能确认双方收发功能都正常,缺一不可。

确认ACK
仅当ACK=1时确认号字段才有效,当ACK=0时,确认号无效。TCP规定,在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK置1
同步SYN
在连接建立时用来同步序号,当SYN=1而ACK=0时,表明这是一个连接请求报文段。对方若同意建立连接,则应在响应的报文段使SYN=1和ACK=1,因此SYN置为1就表示这是一个连接请求或连接接受报文
终止FIN
用来释放一个连接,当FIN=1时,表明此报文段的发送方的数据已发送完毕,并要求释放传输连接

四次挥手
当数据传输结束后,通信的双方都可以释放连接。假如A的应用进程先向其TCP发出连接释放报文段,并停止发送数据,主动关闭TCP连接,A把连接释放报文的首部的终止控制位FIN置1,其序号seq=u,等待B的确认;B收到连接释放报文段后立即发出确认,确认号是ack=u+1,而这个报文段自己的序号是v,等于B前面已传送过的数据的最后一个字节的序号加1,然后B就进入CLOSE-WAIT(关闭等待)阶段。A收到来自B的确认之后,等待B发出的连接释放报文段。若B已经没有要向A发送的数据,其应用进程就通知TCP释放连接,B发送的连接释放报文必须将FIN位置为1,还需要重复上次已发送的确认号ack=u+1,而自己的序号是seq=w,这时候B就进入了最后确认阶段,等待A的确认。A在收到B的连接释放报文段后,在确认报文段中把ACK置为1,确认号ack=w+1,而自己的序号是seq=u+1,然后进入到TIME-WAIT(时间等待)状态,现在TCP连接还没有释放掉,必须经过时间等待计时器设置的时间2MSL(最长报文段寿命)后,A才进入到CLOSED状态,才能开始建立下一个新的连接。当A撤销相应的传输控制块TCB后,就结束了这次的TCP连接。
数据传输结束后,通信的双方都可释放连接。现在A和B都处于ESTABLISHED状态。A的应用进程先向其TCP发出连接释放报文段,并停止再发送数据,主动关闭TCP连接,A把连接释放报文的首部的终止控制位置1,其序号seq=u,它等于前面已传送过的数据的最后一个字节的序号加1,这时A进入FIN-WAIT-1(终止等待1)状态,等待B的确认,请注意,TCP规定,FIN报文段即使不携带数据,它也消耗掉一个序号。
B收到连接释放报文段后立即发出确认,确认号是ack=u+1,而这个报文段自己的序号是v,等于B前面已传送过的数据的最后一个字节的序号加1,然后B就进入CLOSE-WAIT(关闭等待)阶段。TCP服务器进程这时应通知高层应用进程,因而从A到B这个方向的连接就释放了,这时TCP连接处于半关闭(half-close)状态,即A已经没有数据要发送了,但B若发送数据,A仍要接收,也就是说,从B到A这个方向的连接并未关闭,这个状态可能会持续一段时间。
A收到来自B的确认后,就进入FIN-WAIT-2(终止等待2)状态,等待B发出的连接释放报文段。
若B已经没有要向A发送的数据,其应用进程就通知TCP释放连接。这时B发出的连接释放报文段必须使FIN=1,现假定B的序号为w(在半关闭状态B可能又发送了一些数据),B还必须重复上次已发送过的确认号ack=u+1。这时B就进入LAST-ACK(最后确认)状态,等待A的确认,A在收到B的连接释放报文段后,必须对此发出确认。在确认报文段中把ACK置为1,确认号ack=w+1,而自己的序号是seq=u+1(根据TCP标准,前面发送过的FIN报文段要消耗一个序号),然后进入到TIME-WAIT(时间等待)状态,请注意,现在TCP连接还没有释放掉,必须经过时间等待计时器设置的时间2MSL(最长报文段寿命)后,A才进入到CLOSED状态,才能开始建立下一个新的连接。当A撤销相应的传输控制块TCB后,就结束了这次的TCP连接。

为什么A在TIME-WAIT状态必须等待2MSL的时间呢?
①为了保证A发送的最后一个ACK报文段能够到达B。这个ACK报文段有可能丢失,因而处在LAST-ACK状态的B收不到已发送的FIN+ACK报文段的确认。B会超时重传这个FIN+ACK报文段,而A就能在2MSL时间内收到这个重传的FIN+ACK报文。接着A重传一次确认,重新启动2MSL计时器。最后A和B都正常进入到CLOSED状态,如果A在TIME-WAIT状态不等待一段时间,而是在发送完ACK报文段后立即释放连接,那么就无法收到B重传的FIN+ACK报文段,因而也不会再发送一次确认报文段,这样,B就无法按照正常步骤进入CLOSED状态。
②防止“已失效的连接请求报文段”出现在本连接中,A在发送完最后一个ACK报文段后,再经过时间2MSL,就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失,这样就可以使下一个新的连接中不会出现这种旧的连接请求报文段。
B只要收到了A发出的确认,就进入了CLOSED状态,同样,B在撤销相应的传输控制块TCB后,就结束了这次的TCP连接,B结束TCP连接的时间要比A早一些。

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