老生常谈,TCP三次握手、四次挥手过程及原理

本文来自于互联网,原始出处已无法考证

TCP 协议简述

TCP 提供面向有连接的通信传输,面向有连接是指在传送数据之前必须先建立连接,数据传送完成后要释放连接。
无论哪一方向另一方发送数据之前,都必须先在双方之间建立一条连接。在TCP/IP协议中,TCP协议提供可靠的连接服务,连接是通过三次握手进行初始化的。
同时由于TCP协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的运输层通信协议,TCP是全双工模式,所以需要四次挥手关闭连接。

TCP包首部

网络中传输的数据包由两部分组成:一部分是协议所要用到的首部,另一部分是上一层传过来的数据。首部的结构由协议的具体规范详细定义。在数据包的首部,明确标明了协议应该如何读取数据。反过来说,看到首部,也就能够了解该协议必要的信息以及所要处理的数据。包首部就像协议的脸。

所以我们在学习TCP协议之前,首先要知道TCP在网络传输中处于哪个位置,以及它的协议的规范,下面我们就看看TCP首部的网络传输起到的作用:

下面的图是TCP头部的规范定义,它定义了TCP协议如何读取和解析数据:

TCP首部承载这TCP协议需要的各项信息,下面我们来分析一下:

  • TCP端口号:

TCP的连接是需要四个要素确定唯一一个连接:(源IP,源端口号)+ (目地IP,目的端口号)
所以TCP首部预留了两个16位作为端口号的存储,而IP地址由上一层IP协议负责传递源端口号和目地端口各占16位两个字节,也就是端口的范围是2^16=65535另外1024以下是系统保留的,从1024-65535是用户使用的端口范围

  • TCP的序号和确认号:

32位序号 seq:Sequence number 缩写seq ,TCP通信过程中某一个传输方向上的字节流的每个字节的序号,通过这个来确认发送的数据有序,比如现在序列号为1000,发送了1000,下一个序列号就是2000。
32位确认号 ack:Acknowledge number 缩写ack,TCP对上一次seq序号做出的确认号,用来响应TCP报文段,给收到的TCP报文段的序号seq加1。

  • TCP的标志位

每个TCP段都有一个目的,这是借助于TCP标志位选项来确定的,允许发送方或接收方指定哪些标志应该被使用,以便段被另一端正确处理。用的最广泛的标志是 SYNACKFIN,用于建立连接,确认成功的段传输,最后终止连接。

  1. SYN:简写为S,同步标志位,用于建立会话连接,同步序列号;
  2. ACK: 简写为.,确认标志位,对已接收的数据包进行确认;
  3. FIN: 简写为F,完成标志位,表示我已经没有数据要发送了,即将关闭连接;
  4. PSH:简写为P,推送标志位,表示该数据包被对方接收后应立即交给上层应用,而不在缓冲区排队;
  5. RST:简写为R,重置标志位,用于连接复位、拒绝错误和非法的数据包;
  6. URG:简写为U,紧急标志位,表示数据包的紧急指针域有效,用来保证连接不被阻断,并督促中间设备尽快处理;

TCP 三次握手建立连接

所谓三次握手(Three-way Handshake),是指建立一个 TCP 连接时,需要客户端和服务器总共发送3个报文。

三次握手的目的是连接服务器指定端口,建立 TCP 连接,并同步连接双方的序列号和确认号,交换 TCP 窗口大小信息。在 socket 编程中,客户端执行 connect() 时。将触发三次握手。

三次握手过程的示意图如下:

  • 第一次握手

客户端将TCP报文标志位SYN置为1,随机产生一个序号值seq=J,保存在TCP首部的序列号(Sequence Number)字段里,指明客户端打算连接的服务器的端口,并将该数据包发送给服务器端,发送完毕后,客户端进入SYN_SENT状态,等待服务器端确认。

  • 第二次握手

服务器端收到数据包后由标志位SYN=1知道客户端请求建立连接,服务器端将TCP报文标志位SYN和ACK都置为1,ack=J+1,随机产生一个序号值seq=K,并将该数据包发送给客户端以确认连接请求,服务器端进入SYN_RCVD状态。

  • 第三次握手

客户端收到确认后,检查ack是否为J+1,ACK是否为1,如果正确则将标志位ACK置为1,ack=K+1,并将该数据包发送给服务器端,服务器端检查ack是否为K+1,ACK是否为1,如果正确则连接建立成功,客户端和服务器端进入ESTABLISHED状态,完成三次握手,随后客户端与服务器端之间可以开始传输数据了。

注意:我们上面写的ack和ACK,不是同一个概念:

  • 小写的ack代表的是头部的确认号Acknowledge number, 缩写ack,是对上一个包的序号进行确认的号,ack=seq+1。
  • 大写的ACK,则是我们上面说的TCP首部的标志位,用于标志的TCP包是否对上一个包进行了确认操作,如果确认了,则把ACK标志位设置成1。

下面我自己做实验,开一个HTTP服务,监听80端口,然后使用tcpdump命令抓包,看一下TCP三次握手的过程:

sudo tcpdump -n -t -S -i enp0s3  port 80

tcpdump命令解析一下:

-i : 指定抓包的网卡是enp0s3

-n: 把域名转成IP显示

-t: 不显示时间

-S: 序列号使用绝对数值,不指定-S的话,序列号会使用相对的数值

port: 指定监听端口是80

host:指定监听的主机名

第一次握手,标志位Flags=S

IP 10.0.2.2.51323 > 10.0.2.15.80: Flags [S], seq 84689409, win 65535, options [mss 1460], length 0

第二次握手,标志位Flags=[S.]

IP 10.0.2.15.80 > 10.0.2.2.51323: Flags [S.], seq 1893430205, ack 84689410, win 64240, options [mss 1460], length 0

第三次握手,标志位Flags=[.]

IP 10.0.2.2.51323 > 10.0.2.15.80: Flags [.], ack 1893430206, win 65535, length 0

建立连接后,客户端发送http请求

IP 10.0.2.2.51321 > 10.0.2.15.80: Flags [P.], seq 1:753, ack 1, win 65535, length 752: HTTP: GET / HTTP/1.1

我们看下实战中TCP的三次握手过程:

  • 第一次握手,客户端51323端口号向服务器端80号端口发起连接,此时标志位flags=S,即SYN=1标志,表示向服务端发起连接的请求,同时生成序列号seq=84689409
  • 第二次握手,服务端标志位flags=[S.],即SYN+ACK标志位设置为1,表示对上一个请求连接的报文进行确认,同时设置ack=seq+1=184689410,生成序列号seq=1893430205
  • 第三次握手,客户端对服务端的响应进行确认,所以此时标志位是[.]即ACK=1,同时返回对上一个报文的seq的确认号,ack=1893430206

至此,三次握手完成,一个TCP连接建立完成,接下来就是双端传输数据了

为什么需要三次握手?

我们假设client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失,而是在某个网络结点长时间的滞留了,以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。

本来这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后,就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。于是就向client发出确认报文段,同意建立连接。

假设不采用“三次握手”,那么只要server发出确认,新的连接就建立了。由于现在client并没有发出建立连接的请求,因此不会理睬server的确认,也不会向server发送数据。但server却以为新的运输连接已经建立,并一直等待client发来数据。这样,server的很多资源就白白浪费掉了。

所以,采用“三次握手”的办法可以防止上述现象发生。例如刚才那种情况,client不会向server的确认发出确认。server由于收不到确认,就知道client并没有要求建立连接。

TCP 三次握手跟现实生活中的人与人打电话是很类似的:

三次握手:

“喂,你听得到吗?”

“我听得到呀,你听得到我吗?”

“我能听到你,今天 balabala……”

TCP 四次挥手关闭连接

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。在socket编程中,这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发。
由于TCP连接是全双工的,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。

四次挥手过程的示意图如下:

挥手请求可以是Client端,也可以是Server端发起的,我们假设是Client端发起:

  • 第一次挥手

Client端发起挥手请求,向Server端发送标志位是FIN报文段,设置序列号seq,此时,Client端进入FIN_WAIT_1状态,这表示Client端没有数据要发送给Server端了。

  • 第二次挥手

Server端收到了Client端发送的FIN报文段,向Client端返回一个标志位是ACK的报文段,ack设为seq加1,Client端进入FIN_WAIT_2状态,Server端告诉Client端,我确认并同意你的关闭请求。

  • 第三次挥手

Server端向Client端发送标志位是FIN的报文段,请求关闭连接,同时Client端进入LAST_ACK状态。

  • 第四次挥手

Client端收到Server端发送的FIN报文段,向Server端发送标志位是ACK的报文段,然后Client端进入TIME_WAIT状态。Server端收到Client端的ACK报文段以后,就关闭连接。此时,Client端等待2MSL的时间后依然没有收到回复,则证明Server端已正常关闭,那好,Client端也可以关闭连接了。

为什么连接的时候是三次握手,关闭的时候却是四次握手?

建立连接时因为当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。所以建立连接只需要三次握手。

由于TCP协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的运输层通信协议,TCP是全双工模式。这就意味着,关闭连接时,当Client端发出FIN报文段时,只是表示Client端告诉Server端数据已经发送完毕了。当Server端收到FIN报文并返回ACK报文段,表示它已经知道Client端没有数据发送了,但是Server端还是可以发送数据到Client端的,所以Server很可能并不会立即关闭SOCKET,直到Server端把数据也发送完毕。
当Server端也发送了FIN报文段时,这个时候就表示Server端也没有数据要发送了,就会告诉Client端,我也没有数据要发送了,之后彼此就会愉快的中断这次TCP连接。

为什么要等待2MSL?

MSL:报文段最大生存时间,它是任何报文段被丢弃前在网络内的最长时间。
有以下两个原因:

  • 第一点:保证TCP协议的全双工连接能够可靠关闭

由于IP协议的不可靠性或者是其它网络原因,导致了Server端没有收到Client端的ACK报文,那么Server端就会在超时之后重新发送FIN,如果此时Client端的连接已经关闭处于CLOESD状态,那么重发的FIN就找不到对应的连接了,从而导致连接错乱,所以,Client端发送完最后的ACK不能直接进入CLOSED状态,而要保持TIME_WAIT,当再次收到FIN的收,能够保证对方收到ACK,最后正确关闭连接。

  • 第二点:保证这次连接的重复数据段从网络中消失

如果Client端发送最后的ACK直接进入CLOSED状态,然后又再向Server端发起一个新连接,这时不能保证新连接的与刚关闭的连接的端口号是不同的,也就是新连接和老连接的端口号可能一样了,那么就可能出现问题:如果前一次的连接某些数据滞留在网络中,这些延迟数据在建立新连接后到达Client端,由于新老连接的端口号和IP都一样,TCP协议就认为延迟数据是属于新连接的,新连接就会接收到脏数据,这样就会导致数据包混乱。所以TCP连接需要在TIME_WAIT状态等待2倍MSL,才能保证本次连接的所有数据在网络中消失。

 

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