网络协议系列十 - 传输层-TCP连接

Posted 2021-06-28 1024星球

TCP经典面试题：三次握手四次挥手。

一、序号、确认号

发送HTTP请求前先建立连接（三次握手）：

发送方发送数据时，并不是每次发送TCP段都需要发送确认信号的，上图中每段都发送确认信号只是为了让我们更好的理解发送流程。

序号是发送方为了让接收方知道当前发送的是哪一块数据。真正的序号并不是从1开始的（相对值），而是一个很大的值（原始值），只不过为了方便记忆及学习，wireshark已经计算处理。

序号是在建立连接时已经确定的。

ACK号是接收方告诉发送方下一次发送数据从哪一个字节开始。

序号原始值为什么不能从1开始（简单值）？

为了安全。当序号非常简单时，可以通过抓包得知下一个要发的包是什么，然后模拟包数据进行传输。

序号和确认号交互流程

建立连接时只有前两次的SYN是1（SYN=1），后面的SYN都是0（SYN=0）。连接建立后（三次握手）开始正式发送HTTP请求。

在实际的传输过程中序号的初始值并不会是1，而是一个随机数防止被预测和被利用。看一下ACK号和序号传输过程：

然而传送数据是双向的，服务端也会向客户端发送数据，客户端计算出初始序号然后与数据一起发给服务端，服务端收到后计算ACK号再返回去。而服务端也需要计算出一个自己的初始序号，与数据一起发送给客户端，然后客户端得出ACK返回给服务端。

这样两边都告诉了对方自己的初始序号并开始传送数据，过程如图：

客户端和服务器的序号初始值都是在TCP建立连接时确定的（值是随机的），并且会互相告知对方的序号。开始收发数据时，客户端的序号就是Seq = 上次客户端的序号（第一次是初始值） + TCP段字节序号，TCP段字节序号指的是TCP段的第几个字节，是一个相对值。服务器的ACK号就是ACK = 客户端的Seq + TCP段长度。服务端向客户端发送数据同理（用的是服务器的序号初始值）。

比如客户端的序号初始值是123456，服务器的序号初始值是56789。连接建立后，客户端发送的第一个包的序号就是Seq = 123456 + 1 = 123457，假设TCP包长度Length是100个字节，服务端的ACK号就是：ACK = Seq + Length = 123557。

发送方的序号和接收方的确认号都使用的是发送方的序号初始值。

把原始值s1和s2去掉，剩余的部分就是相对值。

二、建立连接（三次握手）

• CLOSED：client处于关闭状态。
• LISTEN：server处于监听状态，等待client连接。
• SYN-RCVD：表示server接收到了SYN报文，当收到client的ACK报文后，它会进入到ESTABLISHED状态。
• SYN-SEND：表示client已发送SYN报文，等待server的第2次握手。
• ESTABLISHED：表示连接已经建立。

前2次握手的特点：

• SYN都设置为1
• 数据部分的长度都为0
• TCP头部的长度一般是32字节，固定部分是20字节，选项部分是12字节

双方会交换确认一些信息，比如MSS、是否支持SACK、Window scale（窗口缩放系数）等。这些数据都放在TCP头部的选项部分中（12字节）。

为什么建立连接的时候，要进行3次握手？2次不行么？
主要目的是防止server端一直在等待，浪费资源。

• 如果建立连接只需要2次握手。假设client发出的第一个连接请求报文段，因为网络延迟，在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连接请求，但server收到此失效的请求后，误认为是client再次发出的一个新的连接请求，于是server就向client发出确认报文段，同意建立连接；
• 如果不采用3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并没有真正想连接服务器的意愿，因此不会理睬server的确认，也不会向server发送数据；
• 但server却以为新的连接已经建立，并一直等待client发来的数据，这样server的很多资源就白白浪费掉了。

采用三次握手的办法就可以防止上述现象的发生。例如上述情况，client没有向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。

第三次握手失败了，会怎么处理？

• 此时server的状态为SYN-RCVD，若等不到client的ACK，server会重新发送SYN+ACK包；
• 如果server多次重发SYN+ACK都等不到client的ACK，就会发送RST包，强制关闭连接。

三、释放连接（四次挥手）

• FIN-WAIT-1：表示想主动关闭连接。
  • 向对方发送了FIN报文，此时进入到 FIN-WAIT-1状态。
• CLOSE-WAIT：表示在等待关闭。
  • 当对方发送FIN给自己，自己会回应一个ACK报文给对方，此时进入到CLOSE-WAIT状态。
  • 在此状态下，需要考虑自己是否还有数据要发送给对方，如果没有，发送FIN报文给对方。
• FIN-WAIT-2：只要对方发送ACK确认后，主动方就会处于FIN-WAIT-2状态，然后等待对方发送FIN报文。
• CLOSING：一种比较罕见的例外状态。
  • 表示你发送FIN报文后，并没有收到对方的ACK报文，反而却也收到了对方的FIN报文。
  • 如果双方几乎在同时准备关闭连接的话，那么就出现了双方同时发送FIN报文的情况，也即会出现CLOSING状态。
  • 表示双方都正在关闭连接。
• LAST-ACK：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，即可进入CLOSED状态。
• TIME-WAIT：表示收到了对方的FIN报文，并发送出了ACK报文，就等2MSL后即可进入CLOSED状态。
  • 如果FIN-WAIT-1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。
• CLOSED：关闭状态。

由于有些状态的时间比较短暂，所以很难用netstat命令看到，比如SYN-RCVD、FIN-WAIT等。

为什么释放连接要经过TIME-WAIT状态？能直接释放么？
TCP/IP协议栈在设计上，允许任何一方先发起断开请求。这里演示的是client主动要求断开的。

client发送ACK后，需要有个TIME-WAIT阶段，等待一段时间后，再真正关闭连接。一般是等待2倍的MSL（Maximum Segment Lifetime，最大分割生存期）。MSL是TCP报文在Internet上的最长生存时间，每个具体的TCP实现都必须选择一个确定的MSL值，RFC1122建议是2分钟。可以防止本次连接中产生的数据包误传到下一次连接中（因为本次连接中的数据包都会在2MSL时间内消失）。

如果client发送ACK后马上释放了，然后又因为网络原因server没有收到client的ACK，server就会重发FIN。这时可能出现的情况是：

• client没有任何响应，服务器那边会干等，甚至多次重发FIN，浪费资源。
• client有个新的应用程序刚好分配了同一个端口号，新的应用程序收到FIN后马上开始执行断开连接的操作，本来它可能是想跟server建立连接的。

client在TIME-WAIT状态下，主要是等待server是否会继续发送FIN（防止client的ACK丢包）。

为什么释放连接的时候，要进行4次挥手？
主要原因是：TCP是双工模式。

1. 第1次挥手：当主机1发出FIN报文段时
   • 表示主机1告诉主机2，主机1已经没有数据要发送了，但是此时主机1还是可以接收来自主机2的数据
2. 第2次挥手：当主机2返回ACK报文段时
   • 表示主机2已经知道主机1没有数据发送了，但是主机2还是可以发送数据到主机1的
3. 第3次挥手：当主机2也发送了FIN报文段时
   • 表示主机2告诉主机1，主机2已经没有数据要发送了
4. 第4次挥手：当主机1返回ACK报文段时
   • 表示主机1已经知道主机2没有数据发送了，随后正式断开整个TCP连接