【计算机网络】关于TCP协议

【计算机网络】关于TCP协议

二、TCP三次握手和四次握手

为了准确无误的把数据送达目的处，TVP协议采用了三次握手策略。

常用的熟知端口号

TCP的报文首部

1. 源端口和目的端口，各占2个字节，分别写入源端口和目的端口；
2. 序号，占四个字节，TCP连接中传送的字节流中的每个字节都按顺序编号。例如，一段报文的序号字段值应该从４０１开始；
3. 确认号，占四个字节，是期望收到对方下一个报文的第一个数据字节的序号。例如，B收到了A发送过来的报文，其序列号字段是５０１，而数据长度是２００字节，这表明B正确的收到了A发来的到序号为７００为止的数据。因此，B期望收到A的下一个数据序号７０１，于是B在发送给A的确认报文中把确认号置为７０１；
4. 数据偏移，占４位，他指出TCP报文的数据距离TCP报文段的起始处有多远；
5. 保留，占6位，保留今后使用，但目前都应为0；
6. 紧急URG，当URG=1，表明紧急指针字段有效。告诉系统此报文段中有紧急数据；
7. 确认ACK，仅当ACK=１时，确认号字段才有效。TCP规定，在建立连接后所有报文的传输都必须把ACK置１；
8. 推送PSH，当两个应用进程进行交互式通信时，有时在一端的应用进程希望在键入一个命令后立即就能收到对方的响应，这时候就将PSH=1；
9. 复位RST，当RST=1时，表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立连接；
10. 同步SYN，在连接建立时用来同步序号。当SYN＝１，ACK＝０，表明是连接请求报文，若同意连接，则响应报文中应该使SYN=1，ACK=1；
11. 终止FIN，用来释放连接。当FIN=1，表明此报文的发送方的数据已经发送完毕，并且要求释放；
12. 窗口，占2字节，指的是通知接收方，发送本报文你需要多大的空间来接受；
13. 检验和，占2字节，检验首部和数据这两部分；
14. 紧急指针，占2字节，指出本报文段中的紧急数据的字节数；
15. 选项，长度可变，定义一些其他的可选的参数。

简单示意图

1.客户端–发送带有SYN标志的数据包–一次握手–服务端。
2.服务端–发送带有SYN/ACK标志的数据包–二次握手–客户端。
3.客户端–发送带有ACK标志的数据包-三次握手–服务端。
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TCP连接的建立（三次握手）

1. TCP服务器进程先创建传输控制块TCB，时刻准备接受客户进程的连接请求，此时服务器就进入了LISTEN（监听）状态；
2. TCP客户进程也是先创建传输控制块TCB，然后想服务器发出连接请求报文，这是报文首部中的同步位SYN=1，同时选择一个初始序列号seq=x，此时 ，TCP客户端进程进入了SYN-SENT（同步已发送状态）状态。TCP规定，SYN报文段（SYN=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号。
3. TCP服务器收到请求报文后，如果同意连接，则发出确认报文。确认报文中应该ACK=1，SYN=1，确认号时ack=x+1，同时也要位自己初始化一个序列号seq=y，此时，TCP服务器进程进入了SYN-ECVD（同步收到）状态。这个报文也不能携带数据，但是同样需要消耗一个序号。
4. TCP客户进程收到确认后，还要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1，ack=y+1,自己的序列号seq=x+1，此时，TCP连接建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。TCP规定，ACK报文段可以携带数据，但是如果不携带数据则不消耗序号。
5. 当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态，此后双方就可以开始通信了。
   

为什么要三次握手？

主要防止已经失效的连接请求报文突然又传送到了服务器，从而产生错误。

如果采用的是两次握手建立连接，假设有这样一种场景，客户端发送了第一个请求连接并且没有丢失，只是因为在网络结点中滞留时间太长了，由于TCP的客户端迟迟没有收到确认报文，以为服务器没有收到，此时重新向服务器发送这条报文，此后客户端和服务器经过两次握手完成连接，传送数据，然后关闭连接。此时此前滞留的那一次连接请求，网络通畅了到达了服务器，这个报文本该是失效的，但是两次握手的机制将会让客户端和服务器再次建立连接，这将导致不必要的错误和资源的浪费。

如果采用的是三次握手，就算是那一次失效的报文传送过来了，服务端接收到了那条失效报文并且回复了确认报文，但是客户端不会再次发出确认。由于服务器收不到确认，就知道客户端没有请求连接。

为什么要传回SYN？

接收端传回发送端所发送的SYN是为了告诉发送端，我收到的信息确实就是你所发送的信号了。
SYN是TCP／IP建立连接时使用的握手信号。在客户端和服务器之间建立正常的TCP网络连接时，客户端首先发出一个SYN消息，服务器使用SYN／ACK服务器使用SYN/ACK应答表示接收到了这个消息，最后客户机再以ACK（Acknowledgement［汉译：确认字符，在数据通信传输中，接收站发给发送站的一种传输控制字符。他表示确认发来的数据已经接收无误。］）消息响应。这样在客户机和服务器之间才能建立起可靠的TCP连接，数据才可以在客户机和服务器之间传递。

传了SYN，为啥还要传ACK？

双方通信无误，必须是两者互相发送消息都无误。传回SYN，证明发送方到接受方的通道没有问题，但是接受方到发送方的通道还需要ACK信号来进行验证。

断开一个TCP连接则需要"四次挥手":

1. 客户端–发送一个FIN，用来关闭客户端到服务器的数据传送。
2. 服务器–收到这个FIN，它发挥一个ACK，确认序号为收到的序号加1。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。
3. 服务器–关闭与客户端的连接，发送一个FIN给客户端。
4. 客户端–发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1。

TCP连接的释放（四次挥手）

数据传输完毕后，双方都可释放连接。最开始的时候，客户端和服务器都是处于ESTABLISHED状态，然后客户端主动关闭，服务器被动关闭。

1. 客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT（终止等待1）状态。TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
2. 服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务器就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端仍然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
3. 客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2状态（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。
4. 服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此诗的序列号位seq=w，此时，服务器就进入了LAST－ACK（最后确认）状态，等待客户端的状态。
5. 客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK＝１，ack＝ｗ＋１，而自己的序列号是seq＝u＋１，此时，客户端就进入了TIME－WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过２×MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
6. 服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端要早一些。
   

为什么要四次挥手？

TCP是全双工通信，Client在自己已经不会再有新的数据要发送给Server后，可以发送FIN信号告知Server，这边已经终止Client到Server那边的数据传输。但是这个时候对Server端来说，可以继续往Client这边发送数据包。于是，两端数据传输的终止在时序上是独立的并且可能会相隔比较长的时间，这个时候最少需要2+2=4次挥手来完全终止这个连接。但是，如果Server在收到Client的FIN包后，再没数据要发送给Client了，那么对Client的ACK包和Server自己的FIN包就可以合并为一个包发送过去，这样四次挥手就可以变成三次了。
举个例子：A 和 B 打电话，通话即将结束后，A 说“我没啥要说的了”，B回答“我知道了”，但是 B 可能还会有要说的话，A 不能要求 B 跟着自己的节奏结束通话，于是 B 可能又巴拉巴拉说了一通，最后 B 说“我说完了”，A 回答“知道了”，这样通话才算结束。

为什么客户端最后还要等待2MSL？

MSL（Maximum Segment Lifetime），TCP允许不同的实现可以设置不同的MSL值。
第一，保证客户端发送的最后一个ACK报文能够到达服务器，因为这个ACK报文可能丢失，站在服务器的角度来看，我已经发送了FIN+ACK报文请求断开了，客户端还没有给我回应，应该是我发送的请求断开报文它没有收到， 于是服务器又会重新发送一次，而客户端就能在这个2MSL时间段内收到这个重传的报文，接着给出回应报文，并且会重启2MSL计时器。
第二，防止类似与“三次握手”中提到了的“已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中。 客户端发送完最后一个确认报文后，在这个2MSL时间中，就可以使本链接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消息。这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文。

为什么建立连接是三次握手，关闭连接确是四次握手呢？

建立连接的时候，服务器在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。
而关闭连接时，服务器收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接受数据，而自己也未必全部数据都发给对方了，所以己方可以立即关闭，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送，从而导致多了一次。

如果已经建立了连接，但是客户端突然故障了怎么办？

TCP还设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端额请求后都会重新复位这个计时器，时间通常设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75分钟发送一次。若一连发送10个探测报文段仍然没反应，服务器就认为客户端出现了故障，接着就关闭连接。