TCP连接的建立与释放(三次握手与四次挥手)

Posted 2021-01-11 weiwei-python

TCP连接的建立与释放(三次握手与四次挥手)

TCP是面向连接的运输层协议，它提供可靠交付的、全双工的、面向字节流的点对点服务。HTTP协议便是基于TCP协议实现的。（虽然作为应用层协议，HTTP协议并没有明确要求必须使用TCP协议作为运输层协议，但是因为HTTP协议对可靠性的的要求，默认HTTP是基于TCP协议的。若是使用UDP这种不可靠的、尽最大努力交付的运输层协议来实现HTTP的话，那么TCP协议的流量控制、可靠性保障机制等等功能就必须全部放到应用层来实现）而相比网络层更进一步，运输层着眼于应用进程间的通信，而不是网络层的主机间的通讯。我们常见的端口、套接字等概念就是由此而生。（端口代表主机上的一个应用进程、而套接字则是ip地址与端口号的合体，可以在网络范围内唯一确定一个应用进程） TCP协议的可靠传输是通过滑动窗口的方法实现的；拥塞控制则有着慢开始和拥塞避免、快重传和快恢复、RED随机早期检测几种办法。（这几个知识点在这里就先不细致总结了，大家可以回顾计网课本23333）

        另外，TCP协议的报文格式也需要回顾一下： 

 

                TCP报文段的首部分为固定部分和选项部分，固定部分长20byte，而选项部分长度可变。（若整个首部长度不是4byte的整数倍的话，则需要用填充位来填充）在固定首部中，与本文密切相关的是以下几项：

                                seq（序号）：TCP连接字节流中每一个字节都会有一个编号，而本字段的值指的是本报文段所发送数据部分第一个字节的序号。

                                ack（确认号）：表示期望收到的下一个报文段数据部分的第一个字节的编号，编号为ack-1及以前的字节已经收到。

                                SYN：当本字段为1时，表示这是一个连接请求或者连接接受报文。

                                ACK：仅当本字段为1时，确认号才有效。

                                FIN：用来释放一个连接。当本字段为1时，表示此报文段的发送端数据已发送完毕，要求释放运输连接。

 

 

        下面就是本文的重点了：TCP的运输连接管理。 

                运输连接具有三个阶段：连接建立、数据传送以及连接释放。运输连接管理就是对连接建立以及连接释放过程的管控，使得其能正常运行，达到这些目的：使通信双方能够确知对方的存在、可以允许通信双方协商一些参数（最大报文段长度、最大窗口大小等等）、能够对运输实体资源进行分配（缓存大小等）。TCP连接的建立采用客户-服务器模式：主动发起连接建立的应用进程叫做客户，被动等待连接建立的应用进程叫做服务器。

                连接建立阶段：

                        第一次握手：客户端的应用进程主动打开，并向客户端发出请求报文段。其首部中：SYN=1,seq=x。

                        第二次握手：服务器应用进程被动打开。若同意客户端的请求，则发回确认报文，其首部中：SYN=1,ACK=1,ack=x+1,seq=y。

                        第三次握手：客户端收到确认报文之后，通知上层应用进程连接已建立，并向服务器发出确认报文，其首部：ACK=1,ack=y+1。当服务器收到客户端的确认报文之后，也通知其上层应用进程连接已建立。

                        在这个过程中，通信双方的状态如下图，其中CLOSED：关闭状态、LISTEN：收听状态、SYN-SENT：同步已发送、SYN-RCVD：同步收到、ESTAB-LISHED：连接已建立

                        至此，TCP连接就建立了，客户端和服务器可以愉快地玩耍了。只要通信双方没有一方发出连接释放的请求，连接就将一直保持。

 

                连接释放阶段：

                        第一次挥手：数据传输结束以后，客户端的应用进程发出连接释放报文段，并停止发送数据，其首部：FIN=1,seq=u。

                        第二次挥手：服务器端收到连接释放报文段之后，发出确认报文，其首部：ack=u+1,seq=v。此时本次连接就进入了半关闭状态，客户端不再向服务器发送数据。而服务器端仍会继续发送。

                        第三次挥手：若服务器已经没有要向客户端发送的数据，其应用进程就通知服务器释放TCP连接。这个阶段服务器所发出的最后一个报文的首部应为：FIN=1,ACK=1,seq=w,ack=u+1。

                        第四次挥手：客户端收到连接释放报文段之后，必须发出确认：ACK=1,seq=u+1,ack=w+1。 再经过2MSL(最长报文端寿命)后，本次TCP连接真正结束，通信双方完成了他们的告别。

                        在这个过程中，通信双方的状态如下图，其中：ESTAB-LISHED：连接建立状态、FIN-WAIT-1：终止等待1状态、FIN-WAIT-2：终止等待2状态、CLOSE-WAIT：关闭等待状态、LAST-ACK：最后确认状态、TIME-WAIT：时间等待状态、CLOSED：关闭状态

 

                统一解释几个问题：

                        1、在握手与挥手的过程中，往复的ack与seq有什么含义？

                              这是通信双方在通信过程中的一种确认手段，确保通信双方通信的正确性。例如小时候模仿电视剧里无线电呼叫的过程：“土豆土豆，我是地瓜，你能听到吗？”“地瓜地瓜，我是土豆，我能听到”。 若客户端的报文请求号为“土豆”，则服务器端就将返回确认号“土豆+1”（标志土豆已收到），是一种通信双方的确认手段。

 

                        2、在结束连接的过程中，为什么在收到服务器端的连接释放报文段之后，客户端还要继续等待2MSL之后才真正关闭TCP连接呢？

                              这里有两个原因：第一个是：需要保证服务器端收到了客户端的最后一条确认报文。假如这条报文丢失，服务器没有接收到确认报文，就会对连接释放报文进行超时重传，而此时客户端连接已关闭，无法做出响应，就造成了服务器端不停重传连接释放报文，而无法正常进入关闭状态的状况。而等待2MSL，就可以保证服务器端收到了最终确认；若服务器端没有收到，那么在2MSL之内客户端一定会收到服务器端的重传报文，此时客户端就会重传确认报文，并重置计时器。

                                                          第二个是：存在一种“已失效的连接请求报文段”，需要避免这种报文端出现在本连接中，造成异常。  

                                                                            这种“已失效的连接请求报文段”是这么形成的：假如客户端发出了连接请求报文，然而服务器端没有收到，于是客户端进行超时重传，再一次发送了连接请求报文，并成功建立连接。然而，第一次发送的连接请求报文并没有丢失，只是在某个网络结点中发生了长时间滞留，随后，这个最初发送的报文段到达服务器端，会使得服务器端误以为客户端发出了新的请求，造成异常。

 

                        3、若通信双方同时请求连接或同时请求释放连接，情况如何？

                              这种情况虽然发生的可能性极小，但是是确实存在的，TCP也特意设计了相关机制，使得在这种情况下双方仅建立一条连接。双方同时请求连接的情况下，双方同时发出请求连接报文，并进入SYN-SENT状态；当收到对方的请求连接报文后，会再次发送请求连接报文，确认号为对方的SYN+1，并进入SYN-RCVD状态；当收到对方第二次发出的携带确认号的请求报文之后，会进入ESTAB-LISHED状态。 双方同时请求释放连接也是同样的，双方同时发出连接释放报文，并进入FIN-WAIT-1状态；在收到对方的报文之后，发送确认报文，并进入CLOSING状态；在收到对方的确认报文后，进入TIME-WAIT状态，等待2MSL之后关闭连接。需要注意的是，这个时候虽然不用再次发送确认报文并确认对方收到，双方仍需等待2MSL之后再关闭连接，是为了防止“已失效的连接请求报文段”的影响。 过程图如下：