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兩張動(dòng)圖--帶你搞懂TCP的三次握手與四次揮手

更新時(shí)間：2021年06月22日 14:35:54 作者：小書go

TCP是一種傳輸控制協(xié)議，是面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流之間的傳輸層通信協(xié)議，由IETF的RFC 793定義。在簡(jiǎn)化的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)OSI模型中，TCP完成第四層傳輸層所指定的功能

背景描述

通過上一篇中網(wǎng)絡(luò)模型中的IP層的介紹，我們知道網(wǎng)絡(luò)層，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)主機(jī)之間的通信。但是這并不具體，因?yàn)?，真正進(jìn)行通信的實(shí)體是在主機(jī)中的進(jìn)程，是一個(gè)主機(jī)中的一個(gè)進(jìn)程與另外一個(gè)主機(jī)中的一個(gè)進(jìn)程在交換數(shù)據(jù)。IP協(xié)議雖然能把數(shù)據(jù)報(bào)文送到目的主機(jī)，但是并沒有交付給主機(jī)的具體應(yīng)用進(jìn)程。而端到端的通信才應(yīng)該是應(yīng)用進(jìn)程之間的通信。

UDP，在傳送數(shù)據(jù)前不需要先建立連接，遠(yuǎn)地的主機(jī)在收到UDP報(bào)文后也不需要給出任何確認(rèn)。雖然UDP不提供可靠交付，但是正是因?yàn)檫@樣，省去和很多的開銷，使得它的速度比較快，比如一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的服務(wù)，就常常使用的是UDP。對(duì)應(yīng)的應(yīng)用層的協(xié)議主要有 DNS,TFTP,DHCP,SNMP,NFS 等。

TCP，提供面向連接的服務(wù)，在傳送數(shù)據(jù)之前必須先建立連接，數(shù)據(jù)傳送完成后要釋放連接。因此TCP是一種可靠的的運(yùn)輸服務(wù)，但是正因?yàn)檫@樣，不可避免的增加了許多的開銷，比如確認(rèn)，流量控制等。對(duì)應(yīng)的應(yīng)用層的協(xié)議主要有 SMTP,TELNET,HTTP,FTP 等。

應(yīng)用程序	FTP	TFTP	TELNET	SMTP	DNS	HTTP	SSH	MYSQL
熟知端口	21,20	69	23	25	53	80	22	3306
傳輸層協(xié)議	TCP	UDP	TCP	TCP	UDP	TCP	TCP	TCP

TCP的概述

TCP把連接作為最基本的對(duì)象，每一條TCP連接都有兩個(gè)端點(diǎn)，這種斷點(diǎn)我們叫作套接字（socket），它的定義為端口號(hào)拼接到IP地址即構(gòu)成了套接字，例如，若IP地址為192.3.4.16 而端口號(hào)為80，那么得到的套接字為192.3.4.16:80。

TCP報(bào)文首部

1.源端口和目的端口，各占2個(gè)字節(jié)，分別寫入源端口和目的端口；

2.序號(hào)，占4個(gè)字節(jié)，TCP連接中傳送的字節(jié)流中的每個(gè)字節(jié)都按順序編號(hào)。例如，一段報(bào)文的序號(hào)字段值是 301 ，而攜帶的數(shù)據(jù)共有100字段，顯然下一個(gè)報(bào)文段（如果還有的話）的數(shù)據(jù)序號(hào)應(yīng)該從401開始；

3.確認(rèn)號(hào)，占4個(gè)字節(jié)，是期望收到對(duì)方下一個(gè)報(bào)文的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的序號(hào)。例如，B收到了A發(fā)送過來的報(bào)文，其序列號(hào)字段是501，而數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是200字節(jié)，這表明B正確的收到了A發(fā)送的到序號(hào)700為止的數(shù)據(jù)。因此，B期望收到A的下一個(gè)數(shù)據(jù)序號(hào)是701，于是B在發(fā)送給A的確認(rèn)報(bào)文段中把確認(rèn)號(hào)置為701；

4.數(shù)據(jù)偏移，占4位，它指出TCP報(bào)文的數(shù)據(jù)距離TCP報(bào)文段的起始處有多遠(yuǎn)；

5.保留，占6位，保留今后使用，但目前應(yīng)都位0；

6.緊急URG，當(dāng)URG=1，表明緊急指針字段有效。告訴系統(tǒng)此報(bào)文段中有緊急數(shù)據(jù)；

7.確認(rèn)ACK，僅當(dāng)ACK=1時(shí)，確認(rèn)號(hào)字段才有效。TCP規(guī)定，在連接建立后所有報(bào)文的傳輸都必須把ACK置1；

8.推送PSH，當(dāng)兩個(gè)應(yīng)用進(jìn)程進(jìn)行交互式通信時(shí)，有時(shí)在一端的應(yīng)用進(jìn)程希望在鍵入一個(gè)命令后立即就能收到對(duì)方的響應(yīng)，這時(shí)候就將PSH=1；

9.復(fù)位RST，當(dāng)RST=1，表明TCP連接中出現(xiàn)嚴(yán)重差錯(cuò)，必須釋放連接，然后再重新建立連接；

10.同步SYN，在連接建立時(shí)用來同步序號(hào)。當(dāng)SYN=1，ACK=0，表明是連接請(qǐng)求報(bào)文，若同意連接，則響應(yīng)報(bào)文中應(yīng)該使SYN=1，ACK=1；

11.終止FIN，用來釋放連接。當(dāng)FIN=1，表明此報(bào)文的發(fā)送方的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢，并且要求釋放；

12.窗口，占2字節(jié)，指的是通知接收方，發(fā)送本報(bào)文你需要有多大的空間來接受；

13.檢驗(yàn)和，占2字節(jié)，校驗(yàn)首部和數(shù)據(jù)這兩部分；

14.緊急指針，占2字節(jié)，指出本報(bào)文段中的緊急數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；

15.選項(xiàng)，長(zhǎng)度可變，定義一些其他的可選的參數(shù)。

TCP連接的建立（三次握手）

這里寫圖片描述

最開始的時(shí)候客戶端和服務(wù)器都是處于CLOSED狀態(tài)。主動(dòng)打開連接的為客戶端，被動(dòng)打開連接的是服務(wù)器。

1.TCP服務(wù)器進(jìn)程先創(chuàng)建傳輸控制塊TCB，時(shí)刻準(zhǔn)備接受客戶進(jìn)程的連接請(qǐng)求，此時(shí)服務(wù)器就進(jìn)入了LISTEN（監(jiān)聽）狀態(tài)；

2.TCP客戶進(jìn)程也是先創(chuàng)建傳輸控制塊TCB，然后向服務(wù)器發(fā)出連接請(qǐng)求報(bào)文，這是報(bào)文首部中的同部位SYN=1，同時(shí)選擇一個(gè)初始序列號(hào) seq=x ，此時(shí)，TCP客戶端進(jìn)程進(jìn)入了 SYN-SENT（同步已發(fā)送狀態(tài)）狀態(tài)。TCP規(guī)定，SYN報(bào)文段（SYN=1的報(bào)文段）不能攜帶數(shù)據(jù)，但需要消耗掉一個(gè)序號(hào)。

3.TCP服務(wù)器收到請(qǐng)求報(bào)文后，如果同意連接，則發(fā)出確認(rèn)報(bào)文。確認(rèn)報(bào)文中應(yīng)該 ACK=1，SYN=1，確認(rèn)號(hào)是ack=x+1，同時(shí)也要為自己初始化一個(gè)序列號(hào) seq=y，此時(shí)，TCP服務(wù)器進(jìn)程進(jìn)入了SYN-RCVD（同步收到）狀態(tài)。這個(gè)報(bào)文也不能攜帶數(shù)據(jù)，但是同樣要消耗一個(gè)序號(hào)。

4.TCP客戶進(jìn)程收到確認(rèn)后，還要向服務(wù)器給出確認(rèn)。確認(rèn)報(bào)文的ACK=1，ack=y+1，自己的序列號(hào)seq=x+1，此時(shí)，TCP連接建立，客戶端進(jìn)入ESTABLISHED（已建立連接）狀態(tài)。TCP規(guī)定，ACK報(bào)文段可以攜帶數(shù)據(jù)，但是如果不攜帶數(shù)據(jù)則不消耗序號(hào)。

5.當(dāng)服務(wù)器收到客戶端的確認(rèn)后也進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，此后雙方就可以開始通信了。

三次握手為

什么TCP客戶端最后還要發(fā)送一次確認(rèn)呢？

一句話，主要防止已經(jīng)失效的連接請(qǐng)求報(bào)文突然又傳送到了服務(wù)器，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤。

如果使用的是兩次握手建立連接，假設(shè)有這樣一種場(chǎng)景，客戶端發(fā)送了第一個(gè)請(qǐng)求連接并且沒有丟失，只是因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)中滯留的時(shí)間太長(zhǎng)了，由于TCP的客戶端遲遲沒有收到確認(rèn)報(bào)文，以為服務(wù)器沒有收到，此時(shí)重新向服務(wù)器發(fā)送這條報(bào)文，此后客戶端和服務(wù)器經(jīng)過兩次握手完成連接，傳輸數(shù)據(jù)，然后關(guān)閉連接。此時(shí)此前滯留的那一次請(qǐng)求連接，網(wǎng)絡(luò)通暢了到達(dá)了服務(wù)器，這個(gè)報(bào)文本該是失效的，但是，兩次握手的機(jī)制將會(huì)讓客戶端和服務(wù)器再次建立連接，這將導(dǎo)致不必要的錯(cuò)誤和資源的浪費(fèi)。

如果采用的是三次握手，就算是那一次失效的報(bào)文傳送過來了，服務(wù)端接受到了那條失效報(bào)文并且回復(fù)了確認(rèn)報(bào)文，但是客戶端不會(huì)再次發(fā)出確認(rèn)。由于服務(wù)器收不到確認(rèn)，就知道客戶端并沒有請(qǐng)求連接。

TCP連接的釋放（四次揮手）

這里寫圖片描述

數(shù)據(jù)傳輸完畢后，雙方都可釋放連接。最開始的時(shí)候，客戶端和服務(wù)器都是處于ESTABLISHED狀態(tài)，然后客戶端主動(dòng)關(guān)閉，服務(wù)器被動(dòng)關(guān)閉。

客戶端進(jìn)程發(fā)出連接釋放報(bào)文，并且停止發(fā)送數(shù)據(jù)。釋放數(shù)據(jù)報(bào)文首部，F(xiàn)IN=1，其序列號(hào)為seq=u（等于前面已經(jīng)傳送過來的數(shù)據(jù)的最后一個(gè)字節(jié)的序號(hào)加1），此時(shí)，客戶端進(jìn)入FIN-WAIT-1（終止等待1）狀態(tài)。 TCP規(guī)定，F(xiàn)IN報(bào)文段即使不攜帶數(shù)據(jù)，也要消耗一個(gè)序號(hào)。

服務(wù)器收到連接釋放報(bào)文，發(fā)出確認(rèn)報(bào)文，ACK=1，ack=u+1，并且?guī)献约旱男蛄刑?hào)seq=v，此時(shí)，服務(wù)端就進(jìn)入了CLOSE-WAIT（關(guān)閉等待）狀態(tài)。TCP服務(wù)器通知高層的應(yīng)用進(jìn)程，客戶端向服務(wù)器的方向就釋放了，這時(shí)候處于半關(guān)閉狀態(tài)，即客戶端已經(jīng)沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送了，但是服務(wù)器若發(fā)送數(shù)據(jù)，客戶端依然要接受。這個(gè)狀態(tài)還要持續(xù)一段時(shí)間，也就是整個(gè)CLOSE-WAIT狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間。

客戶端收到服務(wù)器的確認(rèn)請(qǐng)求后，此時(shí)，客戶端就進(jìn)入FIN-WAIT-2（終止等待2）狀態(tài)，等待服務(wù)器發(fā)送連接釋放報(bào)文（在這之前還需要接受服務(wù)器發(fā)送的最后的數(shù)據(jù)）。

服務(wù)器將最后的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，就向客戶端發(fā)送連接釋放報(bào)文，F(xiàn)IN=1，ack=u+1，由于在半關(guān)閉狀態(tài)，服務(wù)器很可能又發(fā)送了一些數(shù)據(jù)，假定此時(shí)的序列號(hào)為seq=w，此時(shí)，服務(wù)器就進(jìn)入了LAST-ACK（最后確認(rèn)）狀態(tài)，等待客戶端的確認(rèn)。

客戶端收到服務(wù)器的連接釋放報(bào)文后，必須發(fā)出確認(rèn)，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列號(hào)是seq=u+1，此時(shí)，客戶端就進(jìn)入了TIME-WAIT（時(shí)間等待）狀態(tài)。注意此時(shí)TCP連接還沒有釋放，必須經(jīng)過2 ∗ * ∗MSL（最長(zhǎng)報(bào)文段壽命）的時(shí)間后，當(dāng)客戶端撤銷相應(yīng)的TCB后，才進(jìn)入CLOSED狀態(tài)。

服務(wù)器只要收到了客戶端發(fā)出的確認(rèn)，立即進(jìn)入CLOSED狀態(tài)。同樣，撤銷TCB后，就結(jié)束了這次的TCP連接。可以看到，服務(wù)器結(jié)束TCP連接的時(shí)間要比客戶端早一些。

四次揮手

為什么客戶端最后還要等待2MSL？

MSL（Maximum Segment Lifetime），TCP允許不同的實(shí)現(xiàn)可以設(shè)置不同的MSL值。

第一，保證客戶端發(fā)送的最后一個(gè)ACK報(bào)文能夠到達(dá)服務(wù)器，因?yàn)檫@個(gè)ACK報(bào)文可能丟失，站在服務(wù)器的角度看來，我已經(jīng)發(fā)送了FIN+ACK報(bào)文請(qǐng)求斷開了，客戶端還沒有給我回應(yīng)，應(yīng)該是我發(fā)送的請(qǐng)求斷開報(bào)文它沒有收到，于是服務(wù)器又會(huì)重新發(fā)送一次，而客戶端就能在這個(gè)2MSL時(shí)間段內(nèi)收到這個(gè)重傳的報(bào)文，接著給出回應(yīng)報(bào)文，并且會(huì)重啟2MSL計(jì)時(shí)器。

第二，防止類似與“三次握手”中提到了的“已經(jīng)失效的連接請(qǐng)求報(bào)文段”出現(xiàn)在本連接中?？蛻舳税l(fā)送完最后一個(gè)確認(rèn)報(bào)文后，在這個(gè)2MSL時(shí)間中，就可以使本連接持續(xù)的時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的所有報(bào)文段都從網(wǎng)絡(luò)中消失。這樣新的連接中不會(huì)出現(xiàn)舊連接的請(qǐng)求報(bào)文。

為什么建立連接是三次握手，關(guān)閉連接確是四次揮手呢？

建立連接的時(shí)候，服務(wù)器在LISTEN狀態(tài)下，收到建立連接請(qǐng)求的SYN報(bào)文后，把ACK和SYN放在一個(gè)報(bào)文里發(fā)送給客戶端。而關(guān)閉連接時(shí)，服務(wù)器收到對(duì)方的FIN報(bào)文時(shí)，僅僅表示對(duì)方不再發(fā)送數(shù)據(jù)了但是還能接收數(shù)據(jù)，而自己也未必全部數(shù)據(jù)都發(fā)送給對(duì)方了，所以己方可以立即關(guān)閉，也可以發(fā)送一些數(shù)據(jù)給對(duì)方后，再發(fā)送FIN報(bào)文給對(duì)方來表示同意現(xiàn)在關(guān)閉連接，因此，己方ACK和FIN一般都會(huì)分開發(fā)送，從而導(dǎo)致多了一次。

如果已經(jīng)建立了連接，但是客戶端突然出現(xiàn)故障了怎么辦？

TCP還設(shè)有一個(gè)?；钣?jì)時(shí)器，顯然，客戶端如果出現(xiàn)故障，服務(wù)器不能一直等下去，白白浪費(fèi)資源。服務(wù)器每收到一次客戶端的請(qǐng)求后都會(huì)重新復(fù)位這個(gè)計(jì)時(shí)器，時(shí)間通常是設(shè)置為2小時(shí)，若兩小時(shí)還沒有收到客戶端的任何數(shù)據(jù)，服務(wù)器就會(huì)發(fā)送一個(gè)探測(cè)報(bào)文段，以后每隔75秒發(fā)送一次。若一連發(fā)送10個(gè)探測(cè)報(bào)文仍然沒反應(yīng)，服務(wù)器就認(rèn)為客戶端出了故障，接著就關(guān)閉連接。