TCP协议详解--三握四挥

Posted 2021-04-15 前端大联盟

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001. TCP 和 UDP 的区别？

首先概括一下基本的区别:

TCP是一个面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层协议。

而UDP是一个面向无连接的传输层协议。(就这么简单，其它TCP的特性也就没有了)。

具体来分析，和 UDP 相比， TCP 有三大核心特性:

1. 面向连接。所谓的连接，指的是客户端和服务器的连接，在双方互相通信之前，TCP 需要三次握手建立连接，而 UDP 没有相应建立连接的过程。
2. 可靠性。TCP 花了非常多的功夫保证连接的可靠，这个可靠性体现在哪些方面呢？一个是有状态，另一个是可控制。

• TCP 会精准记录哪些数据发送了，哪些数据被对方接收了，哪些没有被接收到，而且保证数据包按序到达，不允许半点差错。这是有状态。

• 当意识到丢包了或者网络环境不佳，TCP 会根据具体情况调整自己的行为，控制自己的发送速度或者重发。这是可控制。
  

• 相应的，UDP 就是无状态, 不可控的。
  

3. 面向字节流。UDP 的数据传输是基于数据报的，这是因为仅仅只是继承了 IP 层的特性，而 TCP 为了维护状态，将一个个 IP 包变成了字节流。
   
   

002: 说说 TCP 三次握手的过程？为什么是三次而不是两次、四次？

恋爱模拟

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以谈恋爱为例，两个人能够在一起最重要的事情是首先确认各自爱和被爱的能力。接下来我们以此来模拟三次握手的过程。

第一次:

男: 我爱你。

女方收到。

由此证明男方拥有 爱 的能力。

第二次:

女: 我收到了你的爱，我也爱你。

男方收到。

OK，现在的情况说明，女方拥有 爱 和 被爱 的能力。

第三次:

男: 我收到了你的爱。

女方收到。

现在能够保证男方具备 被爱 的能力。

由此完整地确认了双方 爱 和 被爱 的能力，两人开始一段甜蜜的爱情。

真实握手

当然刚刚那段属于扯淡，不代表本人价值观，目的是让大家理解整个握手过程的意义，因为两个过程非常相似。对应到 TCP 的三次握手，也是需要确认双方的两样能力: 发送的能力 和 接收的能力 。于是便会有下面的三次握手的过程:

从最开始双方都处于 CLOSED 状态。然后服务端开始监听某个端口，进入了 LISTEN 状态。

然后客户端主动发起连接，发送 SYN , 自己变成了 SYN-SENT 状态。

服务端接收到，返回 SYN 和 ACK (对应客户端发来的SYN)，自己变成了 SYN-REVD 。

之后客户端再发送 ACK 给服务端，自己变成了 ESTABLISHED 状态；服务端收到 ACK 之后，也变成了 ESTABLISHED 状态。

另外需要提醒你注意的是，从图中可以看出，SYN 是需要消耗一个序列号的，下次发送对应的 ACK 序列号要加1，为什么呢？只需要记住一个规则:

凡是需要对端确认的，一定消耗TCP报文的序列号。

SYN 需要对端的确认， 而 ACK 并不需要，因此 SYN 消耗一个序列号而 ACK 不需要。

为什么不是两次？

根本原因: 无法确认客户端的接收能力。

分析如下:

如果是两次，你现在发了 SYN 报文想握手，但是这个包滞留在了当前的网络中迟迟没有到达，TCP 以为这是丢了包，于是重传，两次握手建立好了连接。

看似没有问题，但是连接关闭后，如果这个滞留在网路中的包到达了服务端呢？这时候由于是两次握手，服务端只要接收到然后发送相应的数据包，就默认建立连接，但是现在客户端已经断开了。

看到问题的吧，这就带来了连接资源的浪费。

为什么不是四次？

三次握手的目的是确认双方 发送 和 接收 的能力，那四次握手可以嘛？

当然可以，100 次都可以。但为了解决问题，三次就足够了，再多用处就不大了。

三次握手过程中可以携带数据么？

第三次握手的时候，可以携带。前两次握手不能携带数据。

如果前两次握手能够携带数据，那么一旦有人想攻击服务器，那么他只需要在第一次握手中的 SYN 报文中放大量数据，那么服务器势必会消耗更多的时间和内存空间去处理这些数据，增大了服务器被攻击的风险。

第三次握手的时候，客户端已经处于 ESTABLISHED 状态，并且已经能够确认服务器的接收、发送能力正常，这个时候相对安全了，可以携带数据。

同时打开会怎样？

如果双方同时发 SYN 报文，状态变化会是怎样的呢？

这是一个可能会发生的情况。

状态变迁如下:

在发送方给接收方发 SYN 报文的同时，接收方也给发送方发 SYN 报文，两个人刚上了!

发完 SYN ，两者的状态都变为 SYN-SENT 。

在各自收到对方的 SYN 后，两者状态都变为 SYN-REVD 。

接着会回复对应的 ACK + SYN ，这个报文在对方接收之后，两者状态一起变为 ESTABLISHED 。

这就是同时打开情况下的状态变迁。

003: 说说 TCP 四次挥手的过程

过程拆解

刚开始双方处于 ESTABLISHED 状态。

客户端要断开了，向服务器发送 FIN 报文，在 TCP 报文中的位置如下图:

发送后客户端变成了 FIN-WAIT-1 状态。注意, 这时候客户端同时也变成了 half-close(半关闭) 状态，即无法向服务端发送报文，只能接收。

服务端接收后向客户端确认，变成了 CLOSED-WAIT 状态。

客户端接收到了服务端的确认，变成了 FIN-WAIT2 状态。

随后，服务端向客户端发送 FIN ，自己进入 LAST-ACK 状态，

客户端收到服务端发来的 FIN 后，自己变成了 TIME-WAIT 状态，然后发送 ACK 给服务端。

注意了，这个时候，客户端需要等待足够长的时间，具体来说，是 2 个 MSL ( Maximum Segment Lifetime，报文最大生存时间 ), 在这段时间内如果客户端没有收到服务端的重发请求，那么表示 ACK 成功到达，挥手结束，否则客户端重发 ACK。

等待2MSL的意义

如果不等待会怎样？

如果不等待，客户端直接跑路，当服务端还有很多数据包要给客户端发，且还在路上的时候，若客户端的端口此时刚好被新的应用占用，那么就接收到了无用数据包，造成数据包混乱。所以，最保险的做法是等服务器发来的数据包都死翘翘再启动新的应用。

那，照这样说一个 MSL 不就不够了吗，为什么要等待 2 MSL?

• 1 个 MSL 确保四次挥手中主动关闭方最后的 ACK 报文最终能达到对端
• 1 个 MSL 确保对端没有收到 ACK 重传的 FIN 报文可以到达

这就是等待 2MSL 的意义。

为什么是四次挥手而不是三次？

因为服务端在接收到 FIN , 往往不会立即返回 FIN , 必须等到服务端所有的报文都发送完毕了，才能发 FIN 。因此先发一个 ACK 表示已经收到客户端的 FIN ，延迟一段时间才发 FIN 。这就造成了四次挥手。

如果是三次挥手会有什么问题？

等于说服务端将 ACK 和 FIN 的发送合并为一次挥手，这个时候长时间的延迟可能会导致客户端误以为 FIN 没有到达客户端，从而让客户端不断的重发 FIN 。

同时关闭会怎样？

如果客户端和服务端同时发送 FIN ，状态会如何变化？如图所示:

我们在虚拟的空间与你相遇，期待可以碰撞出不一样的火花

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