TCP的三次握手和四次挥手

TCP三次握手, 四次挥手

当我们在客户端调用connect()函数的时候, 三次握手就自动进行了, 我们来看一下具体过程

1. TCP概述

TCP头部格式

TCP的三次握手和四次挥手_第1张图片

序列号:在建立连接时由计算机生成的随机数作为其初始值,通过 SYN 包传给接收端主机,每发送一次数据,就「累加」一次该「数据字节数」的大小。用来解决网络包乱序问题。

确认应答号:指**下一次「期望」收到的数据的序列号**,发送端收到这个确认应答以后可以认为在这个序号以前的数据都已经被正常接收。用来解决丢包的问题。

控制位:

  • ACK:该位为 1 时,「确认应答」的字段变为有效,TCP 规定除了最初建立连接时的 SYN 包之外该位必须设置为 1
  • RST:该位为 1 时,表示 TCP 连接中出现异常必须强制断开连接。
  • SYN:该位为 1 时,表示希望建立连接,并在其「序列号」的字段进行序列号初始值的设定。
  • FIN:该位为 1 时,表示今后不会再有数据发送,希望断开连接。当通信结束希望断开连接时,通信双方的主机之间就可以相互交换 FIN 位为 1 的 TCP 段。

2. 三次握手

Tcp连接是双向连接,客户端和服务器需要分别向对方发送连接请求,并且建立连接,三次握手成功之后,二者之间的双向连接也就成功建立了。如果要保证三次握手顺利完成,必须要满足以下条件:

  • 服务器端:已经启动,并且启动了监听(被动接受连接的一端)
  • 客户端:基于服务器端监听的IP和端口,向服务器端发起连接请求(主动发起连接的一端)

看一下具体流程:

TCP的三次握手和四次挥手_第2张图片

  • 一开始,客户端和服务端都处于 CLOSE 状态。先是服务端主动监听某个端口,处于 LISTEN 状态

  • 客户端会随机初始化序号(client_isn),将此序号置于 TCP 首部的「序号」字段中,同时SYN 标志位置为 1,表示 SYN 报文。接着把第一个 SYN 报文发送给服务端,表示向服务端发起连接,**该报文不包含应用层数据,**之后客户端处于 SYN-SENT 状态。

  • 服务端收到客户端的 SYN 报文后,首先服务端也随机初始化自己的序号(server_isn),将此序号填入 TCP 首部的「序号」字段中,其次把 TCP 首部的「确认应答号」字段填入 client_isn + 1, 接着把 SYNACK 标志位置为 1。最后把该报文发给客户端,该报文也不包含应用层数据,之后服务端处于 SYN-RCVD 状态。

  • 客户端收到服务端报文后,还要向服务端回应最后一个应答报文,首先该应答报文 TCP 首部 ACK 标志位置为 1 ,其次「确认应答号」字段填入 server_isn + 1 ,最后把报文发送给服务端,这次报文可以携带客户到服务端的数据,之后客户端处于 ESTABLISHED 状态。

  • 服务端收到客户端的应答报文后,也进入 ESTABLISHED 状态。

从上面的过程可以发现**第三次握手是可以携带数据的,前两次握手是不可以携带数据的**,这也是面试常问的题。

一旦完成三次握手,双方都处于 ESTABLISHED 状态,此时连接就已建立完成,客户端和服务端就可以相互发送数据了。

3. 四次挥手

四次挥手是断开连接的过程,需要双向断开,关于由哪一端先断开连接是没有要求的。通信的两端如果想要断开连接就需要调用close()函数,当两端都调用了该函数,四次挥手也就完成了。

TCP的三次握手和四次挥手_第3张图片

  • 客户端打算关闭连接,此时会发送一个 TCP 首部 FIN 标志位被置为 1 的报文,也即 FIN 报文,之后客户端进入 FIN_WAIT_1 状态。
  • 服务端收到该报文后,就向客户端发送 ACK 应答报文,接着服务端进入 CLOSE_WAIT 状态。
  • 客户端收到服务端的 ACK 应答报文后,之后进入 FIN_WAIT_2 状态。
  • 等待服务端处理完数据后,也向客户端发送 FIN 报文,之后服务端进入 LAST_ACK 状态。
  • 客户端收到服务端的 FIN 报文后,回一个 ACK 应答报文,之后进入 TIME_WAIT 状态
  • 服务端收到了 ACK 应答报文后,就进入了 CLOSE 状态,至此服务端已经完成连接的关闭。
  • 客户端在经过 2MSL 一段时间后,自动进入 CLOSE 状态,至此客户端也完成连接的关闭。

你可以看到,每个方向都需要一个 FIN 和一个 ACK,因此通常被称为四次挥手

这里一点需要注意是:主动关闭连接的,才有 TIME_WAIT 状态。

为什么是三次握手, 四次挥手?
三次握手
  • 三次握手才可以阻止重复历史连接的初始化(主要原因)
  • 三次握手才可以同步双方的初始序列号
  • 三次握手才可以避免资源浪费

TCP 建立连接时,通过三次握手能防止历史连接的建立,能减少双方不必要的资源开销,能帮助双方同步初始化序列号。序列号能够保证数据包不重复、不丢弃和按序传输。

不使用「两次握手」和「四次握手」的原因:

  • 「两次握手」:无法防止历史连接的建立,会造成双方资源的浪费,也无法可靠的同步双方序列号;
  • 「四次握手」:三次握手就已经理论上最少可靠连接建立,所以不需要使用更多的通信次数。
四次挥手
  • 关闭连接时,客户端向服务端发送 FIN 时,仅仅表示客户端不再发送数据了但是还能接收数据
  • 服务端收到客户端的 FIN 报文时,先回一个 ACK 应答报文,而服务端可能还有数据需要处理和发送,等服务端不再发送数据时,才发送 FIN 报文给客户端来表示同意现在关闭连接。

从上面过程可知,服务端通常需要等待完成数据的发送和处理,所以服务端的 ACKFIN 一般都会分开发送,因此是需要四次挥手。

但是在特定情况下,四次挥手是可以变成三次挥手的

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