TCP协议三次握手与四次挥手详解（上）

Posted 2020-12-09 kongjetlin

　　在使用TCP协议进行数据的传输之前，客户端与服务器端需要建立TCP Connection，即建立连接，之后两端才能进行数据的传输。

　　下面堆TCP连接“三次握手”的过程进行说明。

1、相关概念

　　首先，我们需要了解TCP数据报的首部的结构（TCP数据报包括首部以及数据报部分），如下图：

     

 

 

其中需要注意的字段有：

（1）序号（sequence number）：seq序号，占32位4个字节。从TCP源端向目的端发送的字节流数据，发起方发送数据报文时对每一个字节进行编号标记，每一个字节都会有一个编号（0 到 2³²-1）。给报文每个字节编上序号后，需要给报文指派一个序号seq，报文的第一个字节的编号值，就是这段报文TCP首部序号seq的值。

（2）确认号（acknowledgement number）：ack序号，占32位4个字节。表示期待收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号，那么当前报文段最后一个字节的编号+1即为确认号。比如第一段报文seq=1（报文第一个字节编号1），报文长度是100，即报文最后一个字节编号为100。确认端接收到发起端发送的报文后，返回给发起端的响应TCP报文中，ACK=1，ack=101，表示发起端发送的1-100编号的字节数据已经收到，希望发起端下一个报文从101编号的字节开始发送。

　　注意，只有TCP报文的ACK标志位为1时，这个报文中的确认序号字段才有效。

（3）标志位（Flags）：TCP标志物有6位，具体如下图

 

 

i）确认ACK：占1位，仅当ACK=1时，确认号字段才有效；ACK=0时，确认号无效 。

ii）同步SYN：连接建立时用于同步序号。当SYN=1，ACK=0时表示--这是一个连接请求报文段。若同意连接，则在响应报文段中使得SYN=1，ACK=1。因此，SYN=1表示这是一个连接请求报文。　　

iii）终止FIN：用来释放一个连接。FIN=1表示--此报文段的发送方的数据已经发送完毕，并要求释放运输连接。

　　这里需要注意2点：

1）不要混淆ACK标志位与ack确认号；

2）SYN这个标志位只有在TCP建产连接时才会被置1，握手完成后SYN标志位被置0。

 

2、三次握手过程

　　过程如下图：

  

　　步骤如下：

1）首先发送方向接收方端发送一段TCP报文，其中标记位为SYN=1，表示“请求建立新连接”；序号为Seq=X（X一般为1），表示发送方发送给接收方的数据报文的序号是x，即数据报文的第一个字书编号为x（建立连接的报文长度一般为1）；此时，发送端进入 SYNC-SENT状态：同步已发送状态。

2）接收方接收到来自发送方TCP报文之后，结束LISTEN监听阶段，进入 SYNC-RCVD 同步已接收状态。随后返回一段TCP报文，其中标志位为SYN和ACK，ACK=1 表示 “确认发送方的报文seq序号有效，接收方能正常接收发送方发送的数据”，SYN=1表示“并同意创建新连接”，即告诉发送方，接收方收到了你的数据，同意与你建立连接；ack=x+1，表示希望接收方下一次发送回来的数据包序号是 x+1，即希望接收方下一次从 x+1 开始发送数据。seq = y，接收方向发送方发送自己的数据报，序号是 y。

3）发送方接收到来自接收方的确认收到数据的TCP报文之后，明确了从发送方到接收方的数据传输是正常的，可以建立连接。那么它会进入 ESTABLISHED 建立连接阶段。并返回最后一段TCP报文，其中，标志位为ACK，表示 “确认收到接收方同意连接的信号”（即告诉接收方，我知道你收到我发的数据了）；seq=x+1，表示向接收方发送序号为x+1的数据；ack=y+1，表示希望接收方下一次发送回来的数据报序号为y+1，即希望接收方下一次从编号为y+1的字节开始发送。

4）接收方在接收到发送方发送的第三次握手的数据后，也会进入 ESTABLISHED 建立连接阶段。

 

　　在“三次握手”中，通过第一、第二次握手的SYN，发送方与接收方建立连接；而且通过第二、第三次握手的ACK，发送方与接收方都知道对方的ack（即希望本方发送的数据），即通过“三次握手”，发送方与接收方也同步了各自的序号。

 

3、为什么要进行“三次握手”才能建立TCP连接

　　原因：避免已经失效的连接请求报文传送到接收方，导致接收方开启一些无效的连接，增加接收方开销。
　　分析如下图：

 

 

 　　如果是三次握手，就可以避免上面这种情况的发生，如下图：

 

 

 4、扩展 

　　在客户端与服务器端建立连接之后，在这个连接上，客户端与服务器端之间可以发送的HTTP请求数量与使用的HTTP协议的版本相关。

1）HTTP1.0版本：TCP连接是在HTTP请求创建的时候同步创建的，HTTP请求发送到服务器端，服务器端响应了之后，这个TCP连接就关闭了。即一次连接只能发送一次HTTP请求；

2）HTTP1.1版本：三次握手建立TCP连接后，以某种方式声明这个连接一直保持，后面的HTTP请求可以继续使用这个连接。

　　由于在创建一个TCP连接的过程中需要“三次握手”的性能消耗。如果每次HTTP请求都要重新建立TCP连接，那么每次HTTP请求都有“三次握手”的性能消耗。如果使用HTTP1.1，只有第一次请求需要建立连接，后面的请求不需要建立连接，则只有一次“三次握手”的消耗。