iOS之快速掌握TCP 三次握手、四次分手

Posted 2023-05-05

参考技术A TCP是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，是专门为了在不可靠的网络中提供一个可靠的端对端字节流而设计的，面向字节流。

下看一下下面这张图了解一下TCP结构：

在三次握手和四次挥手中会经常看到 SYN、ACK 和 FIN 的身影，一共有 6 个标志位，它们表示的意义如下：

选项 (Options)：这一部分是可选字段，也就是非必须字段，最常见的可选字段是“最长报文大小 (MSS，Maximum Segment Size)”。

有效数据部分 (Data)：这部分也不是必须的，比如在建立和关闭 TCP 连接的阶段，双方交换的报文段就只包含 TCP 首部。

三次握手和四次挥手是各个公司常见的考点，也具有一定的水平区分度，也被一些面试官作为热身题。

先看一下下面三次握手的图：

第一次握手：

第二次握手：

第三次握手

TCP 建立连接为什么要三次握手而不是两次？

TCP 建立连接为什么要三次握手而不是四次？

有一种网络攻击是利用了 TCP 建立连接机制的漏洞，你了解吗？这个问题怎么解决？

解决方案：

建立一个连接需要三次握手，而终止一个连接要经过 4次握手。
原因：这由 TCP 的半关闭( half-close) 造成的。既然一个 TCP 连接是全双工 (即数据在两个方向上能同时传递)，因此每个方向必须单独地进行关闭。

下图表示四次分手的流程图：

四次挥手详细过程如下：

第一次挥手：

第二次挥手：

第三次挥手：

第四次挥手：

为什么 TCP 关闭连接为什么要四次而不是三次？

客户端为什么需要在 TIME-WAIT 状态等待 2MSL 时间才能进入 CLOSED 状态？

按照常理，在网络正常的情况下，四个报文段发送完后，双方就可以关闭连接进入 CLOSED 状态了.

TCP三次握手四次分手

 TCP头部

 

上面就是TCP协议头部的格式，它实在太重要了，是理解其它内容的基础，下面就将每个字段的信息都详细的说明一下。

• Source Port和Destination Port:分别占用16位，表示源端口号和目的端口号；用于区别主机中的不同进程，而IP地址是用来区分不同的主机的，源端口号和目的端口号配合上IP首部中的源IP地址和目的IP地址就能唯一的确定一个TCP连接；
• Sequence Number:用来标识从TCP发端向TCP收端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的的第一个数据字节在数据流中的序号；主要用来解决网络报乱序的问题；
• Acknowledgment Number:32位确认序列号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号，因此，确认序号应当是上次已成功收到数据字节序号加1。不过，只有当标志位中的ACK标志（下面介绍）为1时该确认序列号的字段才有效。主要用来解决不丢包的问题；
• Offset:给出首部中32 bit字的数目，需要这个值是因为任选字段的长度是可变的。这个字段占4bit（最多能表示15个32bit的的字，即4*15=60个字节的首部长度），因此TCP最多有60字节的首部。然而，没有任选字段，正常的长度是20字节；
• TCP Flags:TCP首部中有6个标志比特，它们中的多个可同时被设置为1，主要是用于操控TCP的状态机的，依次为URG，ACK，PSH，RST，SYN，FIN。每个标志位的意思如下：

URG：此标志表示TCP包的紧急指针域（后面马上就要说到）有效，用来保证TCP连接不被中断，并且督促中间层设备要尽快处理这些数据；

ACK：此标志表示应答域有效，就是说前面所说的TCP应答号将会包含在TCP数据包中；有两个取值：0和1，为1的时候表示应答域有效，反之为0；

PSH：这个标志位表示Push操作。所谓Push操作就是指在数据包到达接收端以后，立即传送给应用程序，而不是在缓冲区中排队；

RST：这个标志表示连接复位请求。用来复位那些产生错误的连接，也被用来拒绝错误和非法的数据包；

SYN：表示同步序号，用来建立连接。SYN标志位和ACK标志位搭配使用，当连接请求的时候，SYN=1，ACK=0；连接被响应的时候，SYN=1，ACK=1；这个标志的数据包经常被用来进行端口扫描。扫描者发送一个只有SYN的数据包，如果对方主机响应了一个数据包回来 ，就表明这台主机存在这个端口；但是由于这种扫描方式只是进行TCP三次握手的第一次握手，因此这种扫描的成功表示被扫描的机器不很安全，一台安全的主机将会强制要求一个连接严格的进行TCP的三次握手；

FIN： 表示发送端已经达到数据末尾，也就是说双方的数据传送完成，没有数据可以传送了，发送FIN标志位的TCP数据包后，连接将被断开。这个标志的数据包也经常被用于进行端口扫描。

• Window:窗口大小，也就是有名的滑动窗口，用来进行流量控制；这是一个复杂的问题，这篇博文中并不会进行总结的；

暂时需要的信息有：

ACK ： TCP协议规定，只有ACK=1时有效，也规定连接建立后所有发送的报文的ACK必须为1

SYN(SYNchronization) ： 在连接建立时用来同步序号。当SYN=1而ACK=0时，表明这是一个连接请求报文。对方若同意建立连接，则应在响应报文中使SYN=1和ACK=1. 因此,  SYN置1就表示这是一个连接请求或连接接受报文。

FIN （finis）即完，终结的意思， 用来释放一个连接。当 FIN = 1 时，表明此报文段的发送方的数据已经发送完毕，并要求释放连接

 

TCP三次握手

多么清晰的一张图，当然了，也不是我画的，我也只是引用过来说明问题了。

第一次握手：

建立连接。首先由Client发出请求连接即 SYN=1 ACK=0 , TCP规定SYN=1时不能携带数据，但要消耗一个序号,因此声明自己的序号是 seq=x。客户端进入SYN_SEND状态，等待服务器的确认；

第二次握手： 

Server 进行回复确认。服务器收到客户端的SYN报文段，需要进行确认，ack=x+1；同时，自己还要发送SYN请求信息，即 SYN=1 ACK=1 seq=y, ack=x+1, 此时服务器进入SYN_RECV状态；

第三次握手：

Client 再进行一次确认，但不用SYN 了，这时即为 ACK=1, seq=x+1, ack=y+1。这个报文段发送完毕以后，客户端和服务器端都进入ESTABLISHED状态，完成TCP三次握手。

 

为什么是三次握手而不是两次？

TCP四次分手

当客户端和服务器通过三次握手建立了TCP连接以后，当数据传送完毕，肯定是要断开TCP连接的啊。那对于TCP的断开连接，这里就有了神秘的“四次分手”。

 

第一次分手：

当客户A(可以使客户端，也可以是服务器端)没有东西要发送时就要断开连接，A会发送一个报文(没有数据)，其中 FIN =1，seq=u。此时，A进入FIN_WAIT_1状态；这表示A没有数据要发送给B了；

第二次分手：

服务器B收到A发送的FIN报文段，会给A一个信儿，即ACK=1,ack=u+1,seq=v；此时A进入FIN_WAIT_2状态,等待B请求释放连接。

第三次分手：

B向A请求释放链接，也是FIN=1 ， 并且 ACK=1,seq=w,ack = u+1，同时B进入LAST_ACK状态；

第四次分手：

A收到B发送的FIN报文段，回复一个确认信息，即ACK=1,seq=u+1,ack=w+1,并进入 TIME_WAIT 状态。B收到A的ACK报文段以后，就关闭连接；此时，A等待2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那么，A也可以关闭连接了。

为什么要4次呢？

因为TCP是全双工模式，这就意味着，当A发出FIN报文段时，只是表示A已经没有数据要发送了，但是还可以接受B发来的数据。当B返回ACK报文时，表示已经知道A没有数据发送了，但此时B仍发送数据给A。所以需要发送FIN给A，这是就表示B也没有数据要发送给A了，之后彼此就会愉快的分手。

如果要正确的理解四次分手的原理，就需要了解四次分手过程中的状态变化。

• FIN_WAIT_1: 这个状态要好好解释一下，其实FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_2状态的真正含义都是表示等待对方的FIN报文。而这两种状态的区别是：FIN_WAIT_1状态实际上是当SOCKET在ESTABLISHED状态时，它想主动关闭连接，向对方发送了FIN报文，此时该SOCKET即进入到FIN_WAIT_1状态。而当对方回应ACK报文后，则进入到FIN_WAIT_2状态，当然在实际的正常情况下，无论对方何种情况下，都应该马上回应ACK报文，所以FIN_WAIT_1状态一般是比较难见到的，而FIN_WAIT_2状态还有时常常可以用netstat看到。（主动方）
• FIN_WAIT_2：上面已经详细解释了这种状态，实际上FIN_WAIT_2状态下的SOCKET，表示半连接，也即有一方要求close连接，但另外还告诉对方，我暂时还有点数据需要传送给你(ACK信息)，稍后再关闭连接。（主动方）
• CLOSE_WAIT：这种状态的含义其实是表示在等待关闭。怎么理解呢？当对方close一个SOCKET后发送FIN报文给自己，你系统毫无疑问地会回应一个ACK报文给对方，此时则进入到CLOSE_WAIT状态。接下来呢，实际上你真正需要考虑的事情是察看你是否还有数据发送给对方，如果没有的话，那么你也就可以 close这个SOCKET，发送FIN报文给对方，也即关闭连接。所以你在CLOSE_WAIT状态下，需要完成的事情是等待你去关闭连接。（被动方）
• LAST_ACK: 这个状态还是比较容易好理解的，它是被动关闭一方在发送FIN报文后，最后等待对方的ACK报文。当收到ACK报文后，也即可以进入到CLOSED可用状态了。（被动方）
• TIME_WAIT: 表示收到了对方的FIN报文，并发送出了ACK报文，就等2MSL后即可回到CLOSED可用状态了。如果FINWAIT1状态下，收到了对方同时带FIN标志和ACK标志的报文时，可以直接进入到TIME_WAIT状态，而无须经过FIN_WAIT_2状态。（主动方）
• CLOSED: 表示连接中断。