画图TCP协议和三次握手及四次挥手

Posted 2022-08-25 天梯的脚印

1. TCP协议

1.1. TCP特性

1. TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流服务在一个TCP连接中，仅有两方进行彼此通信。广播和多播不能用于TCP
2. TCP使用校验和，确认和重传机制来保证可靠传输
3. TCP给数据分节(给每一个传送的数据字节都编号)进行排序，并使用累积确认保证数据的顺序不变和非重复
4. TCP使用滑动窗口机制来实现流量控制，通过动态改变窗口的大小进行拥塞控制

1.2. TCP包头结构

1. **源端口、目标端口**：计算机上的进程要和其他进程通信是要通过计算机端口的，而一个计算机端口
   某个时刻只能被一个进程占用，所以通过指定源端口和目标端口，就可以知道是哪两个进程需要通
   信。源端口、目标端口是用16位表示的，可推算计算机的端口个数为2^16个,即65536
2. **序列号**：表示本报文段所发送数据的第一个字节的编号。在TCP连接中所传送的字节流的每一个字
   节都会按顺序编号。由于序列号由32位表示，所以每2^32个字节，就会出现序列号回绕，再次从 0
   开始
3. **确认号**：表示接收方期望收到发送方下一个报文段的第一个字节数据的编号。也就是告诉发送方：
   我希望你（指发送方）下次发送的数据的第一个字节数据的编号为此确认号
4. **数据偏移**：表示TCP报文段的首部长度，共4位，由于TCP首部包含一个长度可变的选项部分，需要
   指定这个TCP报文段到底有多长。它指出 TCP 报文段的数据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多
   远。该字段的单位是32位(即4个字节为计算单位），4位二进制最大表示15，所以数据偏移也就是
   TCP首部最大60字节
5. **URG**：表示本报文段中发送的数据是否包含紧急数据。后面的紧急指针字段（urgent pointer）只
   有当URG=1时才有效
6. **ACK**：表示是否前面确认号字段是否有效。只有当ACK=1时，前面的确认号字段才有效。TCP规
   定，连接建立后，ACK必须为1,带ACK标志的TCP报文段称为确认报文段
7. **PSH**：提示接收端应用程序应该立即从TCP接收缓冲区中读走数据，为接收后续数据腾出空间。如
   果为1，则表示对方应当立即把数据提交给上层应用，而不是缓存起来，如果应用程序不将接收到
   的数据读走，就会一直停留在TCP接收缓冲区中
8. **RST**：如果收到一个RST=1的报文，说明与主机的连接出现了严重错误（如主机崩溃），必须释放
   连接，然后再重新建立连接。或者说明上次发送给主机的数据有问题，主机拒绝响应，带RST标志
   的TCP报文段称为复位报文段
9. **SYN**：在建立连接时使用，用来同步序号。当SYN=1，ACK=0时，表示这是一个请求建立连接的报
   文段；当SYN=1，ACK=1时，表示对方同意建立连接。SYN=1，说明这是一个请求建立连接或同意
   建立连接的报文。只有在前两次握手中SYN才置为1，带SYN标志的TCP报文段称为同步报文段
10. **FIN**：表示通知对方本端要关闭连接了，标记数据是否发送完毕。如果FIN=1，即告诉对方：“我的
    数据已经发送完毕，你可以释放连接了”，带FIN标志的TCP报文段称为结束报文段
11. **窗口大小**：表示现在允许对方发送的数据量，也就是告诉对方，从本报文段的确认号开始允许对方
    发送的数据量，达到此值，需要ACK确认后才能再继续传送后面数据，由Window size value *
    Window size scaling factor（此值在三次握手阶段TCP选项Window scale协商得到）得出此值
12. **校验和**：提供额外的可靠性
13. **紧急指针**：标记紧急数据在数据字段中的位置
14. **选项部分**：其最大长度可根据TCP首部长度进行推算。TCP首部长度用4位表示，选项部分最长为：
    (2^4-1)*4-20=40字节

2. TCP三次握手

2.1. 说明

1. TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的通信协议，数据在传输前要建立连接，传输完毕后还要断开连接。
2. 客户端在收发数据前要使用 connect() 函数和服务器建立连接。建立连接的目的是保证IP地址、端口、物理链路等正确无误，为数据的传输开辟通道。
3. TCP建立连接时要传输三个数据包，俗称三次握手（Three-way Handshaking）

2.2. 三次握手过程详解

• 第一次握手(SYN=1, seq=x):

客户端发送一个 TCP的 SYN 标志位置1的包，指明客户端打算连接的服务器的端口(请求同步)，并选择序号 seq=x，表明传送数据时的第一个数据字节的序号是 x。(seq是个随机值).
发送完毕后，客户端进入 SYN_SEND 状态。

• 第二次握手(SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1):

服务器的TCP收到连接请求报文段后，如同意，则发回确认包(ACK)应答。即 SYN 标志位和 ACK 标志位均为1。服务器端选择自己 ISN 序列号(随机值y)，放到seq 域里，同时将确认序号ack设置为客户的 ISN 加1，即 x+1(即回复对方确认收到了序列号为x开始的包，且希望下次的数据从x+1的位置开始)。
发送完毕后，服务器端进入 SYN_RCVD 状态。

• 第三次握手(ACK=1，ack=y+1，seq=x+1)

客户端收到此报文段后再次发送确认包(ACK)，SYN 标志位为0，ACK 标志位为1，并且把服务器发来 ACK 的序号字段+1，放在确定字段ack中发送给对方，并且告诉服务器自己的seq=x+1.
发送完毕后，客户端进入 ESTABLISHED 状态，当服务器端接收到这个包时，也进入 ESTABLISHED 状态，TCP握手结束。

3. TCP四次挥手

3.1. 说明

1.所谓四次挥手（Four-Way Wavehand）即终止 TCP 连接，就是指数据传送完毕需要断开一个 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。
2.由于 TCP 连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这个原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个 TCP 连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。

• 第一次挥手(FIN=1，seq=u)

1.假设客户端想要关闭连接，客户端发送一个FIN标志位置为 1 的包，表示自己已经没有数据可以发送了，但是仍然可以接受数据。因为有可能服务器还要发送数据，所以发送自己的序列号seq=u，等待服务器确认。
2.发送完毕后，客户端进入FIN_WAIT_1状态。

• 第二次挥手(ACK=1，seq=v，ack=u+1)

1.服务器端确认客户端的FIN包，发送一个确认包(ACK=1(确认)，seq=v(自己的序列号)，ack=u+1(确认收到序列号u以前的包，并希望下次发送数据从 u+1 开始))，表明自己接受到了客户端关闭连接的请求，但还没有准备好关闭连接(可能有数据发送)。
2.发送完毕后，服务器端进入CLOSE_WAIT状态，客户端接收到这个确认包之后，进入FIN_WAIT_2状态，等待服务器端关闭连接。
3.在这过程中 TCP 服务器进程会通知高层应用进程。然后从客户端到服务器这个方向的连接就释放了，TCP 连接处于半关闭状态。但是服务器 若发送数据，客户端仍要接收。

• 第三次挥手(FIN=1，ACK=1，seq=w，ack=u+1)

1.若服务器已经没有要向客户端发送的数据，其应用进程就通知 TCP 释放连接。
2.服务器端准备好关闭连接时，向客户端发送结束连接请求FIN置为 1，ACK=1，seq=w(有数据发送过)，ack=u+1。
3.发送完毕后，服务器端进入LAST_ACK状态，等待来自客户端的最后一个ACK。

• 第四次挥手(ACK=1，seq=u+1，ack=w+1)

1.客户端接收到来自服务器端的关闭请求，发送一个确认包(在确认报文段中ACK=1，确认号ack=w+1，自己的序号seq=u+1)，并进入TIME_WAIT状态，等待可能出现的要求重传的ACK包。(这个确认包是内核进行发送的，上面不能发数据的是客户端的send函数)
2.服务器端接收到这个确认包之后，关闭连接，进入CLOSED状态。
3.客户端等待了某个固定时间（两个最大段生命周期，2MSL，2 Maximum Segment Lifetime）之后，没有收到服务器端的ACK，认为服务器端已经正常关闭连接，于是自己也关闭连接，进入CLOSED状态。