理论经典:TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了理论经典:TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

1、前言

尽管TCP和UDP都使用相同的网络层(IP),TCP却向应用层提供与UDP完全不同的服务。TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。

面向连接意味着两个使用TCP的应用(通常是一个客户和一个服务器)在彼此交换数据之前必须先建立一个TCP连接。这一过程与打电话很相似,先拨号振铃,等待对方摘机说“喂”,然后才说明是谁。

本文将分别讲解经典的TCP协议建立连接(所谓的“3次握手”)和断开连接(所谓的“4次挥手”)的过程。有关TCP协议的权威理论介绍,请参见《TCP/IP详解》这本书。(本文同步发布于:http://www.52im.net/thread-258-1-1.html

2、学习交流

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3、相关资料

技术往事:改变世界的TCP/IP协议(珍贵多图、手机慎点)

TCP/IP详解-第17章·TCP:传输控制协议

TCP/IP详解-第18章·TCP连接的建立与终止

TCP/IP详解-第21章·TCP的超时与重传

通俗易懂-深入理解TCP协议(上):理论基础

通俗易懂-深入理解TCP协议(下):RTT、滑动窗口、拥塞处理

理论经典:TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解

计算机网络通讯协议关系图(中文珍藏版)

4、先来认识TCP报文格式

TCP/IP协议的详细信息参看《TCP/IP 协议详解》中有关TCP格式的章节(点此查看《TCP/IP详解 在线版》)。

下面是TCP报文格式图:

 

 
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上图中有几个字段需要重点介绍下:

(1)序号:Seq序号,占32位,用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流,发起方发送数据时对此进行标记。

(2)确认序号:Ack序号,占32位,只有ACK标志位为1时,确认序号字段才有效,Ack=Seq+1。

(3)标志位:共6个,即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等,具体含义如下:

(A)URG:紧急指针(urgent pointer)有效。

(B)ACK:确认序号有效。

(C)PSH:接收方应该尽快将这个报文交给应用层。

(D)RST:重置连接。

(E)SYN:发起一个新连接。

(F)FIN:释放一个连接。

需要注意的是:

(A)不要将确认序号Ack与标志位中的ACK搞混了。

(B)确认方Ack=发起方Req+1,两端配对。

5、3次握手过程详解

所谓三次握手(Three-Way Handshake)即建立TCP连接,就是指建立一个TCP连接时,需要客户端和服务端总共发送3个包以确认连接的建立。在socket编程中,这一过程由客户端执行connect来触发,整个流程如下图所示:

 

 
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(1)第一次握手:

Client将标志位SYN置为1,随机产生一个值seq=J,并将该数据包发送给Server,Client进入SYN_SENT状态,等待Server确认。

(2)第二次握手:

Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接,Server将标志位SYN和ACK都置为1,ack=J+1,随机产生一个值seq=K,并将该数据包发送给Client以确认连接请求,Server进入SYN_RCVD状态。

(3)第三次握手:

Client收到确认后,检查ack是否为J+1,ACK是否为1,如果正确则将标志位ACK置为1,ack=K+1,并将该数据包发送给Server,Server检查ack是否为K+1,ACK是否为1,如果正确则连接建立成功,Client和Server进入ESTABLISHED状态,完成三次握手,随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

SYN攻击:

在三次握手过程中,Server发送SYN-ACK之后,收到Client的ACK之前的TCP连接称为半连接(half-open connect),此时Server处于SYN_RCVD状态,当收到ACK后,Server转入ESTABLISHED状态。SYN攻击就是Client在短时间内伪造大量不存在的IP地址,并向Server不断地发送SYN包,Server回复确认包,并等待Client的确认,由于源地址是不存在的,因此,Server需要不断重发直至超时,这些伪造的SYN包将产时间占用未连接队列,导致正常的SYN请求因为队列满而被丢弃,从而引起网络堵塞甚至系统瘫痪。SYN攻击时一种典型的DDOS攻击,检测SYN攻击的方式非常简单,即当Server上有大量半连接状态且源IP地址是随机的,则可以断定遭到SYN攻击了,使用如下命令可以让之现行:

#netstat -nap | grep SYN_RECV

6、4次挥手过程详解

三次握手耳熟能详,四次挥手估计就少有人知道了。所谓四次挥手(Four-Way Wavehand)即终止TCP连接,就是指断开一个TCP连接时,需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。在socket编程中,这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发,整个流程如下图所示:

 
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由于TCP连接时全双工的,因此,每个方向都必须要单独进行关闭,这一原则是当一方完成数据发送任务后,发送一个FIN来终止这一方向的连接,收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了,即不会再收到数据了,但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据,直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方则执行被动关闭,上图描述的即是如此。

第一次挥手:

Client发送一个FIN,用来关闭Client到Server的数据传送,Client进入FIN_WAIT_1状态。

第二次挥手:

Server收到FIN后,发送一个ACK给Client,确认序号为收到序号+1(与SYN相同,一个FIN占用一个序号),Server进入CLOSE_WAIT状态。

第三次挥手:

Server发送一个FIN,用来关闭Server到Client的数据传送,Server进入LAST_ACK状态。

第四次挥手:

Client收到FIN后,Client进入TIME_WAIT状态,接着发送一个ACK给Server,确认序号为收到序号+1,Server进入CLOSED状态,完成四次挥手。

上面是一方主动关闭,另一方被动关闭的情况,实际中还会出现同时发起主动关闭的情况,具体流程如下图:

 

 
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流程和状态在上图中已经很明了了,在此不再赘述,可以参考前面的四次挥手解析步骤。

结语

关于三次握手与四次挥手通常都会有典型的面试题,在此提出供有需求的XDJM们参考:

(1) 三次握手是什么或者流程?四次握手呢?答案前面分析就是。

(2) 为什么建立连接是三次握手,而关闭连接却是四次挥手呢?

这是因为服务端在LISTEN状态下,收到建立连接请求的SYN报文后,把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时,当收到对方的FIN报文时,仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据,己方也未必全部数据都发送给对方了,所以己方可以立即close,也可以发送一些数据给对方后,再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接,因此,己方ACK和FIN一般都会分开发送。

(本文同步发布于:http://www.52im.net/thread-258-1-1.html

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作者:JackJiang2011
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最近在复习计算机网络,看到TCP这一章,总结一下。

建立TCP需要三次握手才能建立,而断开连接则需要四次握手。整个过程如下图所示:

 
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先来看看如何建立连接的:

 
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首先Client端发送连接请求报文,Server段接受连接后回复ACK报文,并为这次连接分配资源。Client端接收到ACK报文后也向Server段发送报文,并分配资源,这样TCP连接就建立了。

如何断开连接呢?简单的过程如下:

 
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注意中断连接端可以是Client端,也可以是Server端

假设Client端发起中断请求,也就是发送FIN报文。Server端接到FIN报文后,意思是说“我client端要发给你了”,但是如果你还没有数据要发送完成,则不必急着关闭Socket,可以继续发送数据。所以所以你先发送ACK,"告诉Client端,你的请求我收到了,但是我还没准备好,请继续你等我的消息"。这个时候Client端就进入FIN_WAIT状态,继续等待Server端的FIN报文。当Server端确定数据已发送完成,则向Client端发送FIN报文,"告诉Client端,好了,我这边数据发完了,准备好关闭连接了"。Client端收到FIN报文后,"就知道可以关闭连接了,但是他还是不相信网络,怕Server端不知道要关闭,所以发送ACK后进入TIME_WAIT状态,如果Server端没有收到ACK则可以重传。“,Server端收到ACK后,"就知道可以断开连接了"。Client端等待了2MSL后依然没有收到回复,则证明Server端已正常关闭,那好,我Client端也可以关闭连接了。Ok,TCP连接就这样关闭了!

整个过程Client端所经历的状态如下:

 
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而Server端所经历的过程如下:

 
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注意在TIME_WAIT状态中,如果TCP client端最后一次发送的ACK丢失了,它将重新发送。TIME_WAIT状态中所需要的时间是依赖于实现方法的。典型的值为30秒、1分钟和2分钟。等待之后连接正式关闭,并且所有的资源(包括端口号)都被释放。

  1. 为什么连接的时候是三次握手,关闭的时候却是四次握手?

    因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后,可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的,SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时,当Server端收到FIN报文时,很可能并不会立即关闭SOCKET,所以只能先回复一个ACK报文,告诉Client端,"你发的FIN报文我收到了"。只有等到我Server端所有的报文都发送完了,我才能发送FIN报文,因此不能一起发送。故需要四步握手。

  2. 为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态?

    • 为了保证发送的最后一个ACK报文段能够到达B
    • 防止“已失效的连接请求报文段”出现在本连接中。在发送完最后一个ACK报文段后,再经过实践2MSL,就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段,都从网络中消失。这样就可以使下一个新的连接中不会出现这种就得连接请求报文段。

TCP有限状态机

TCP有限状态机如下图:

  • 粗实箭头表示客户进程的正常迁移
  • 粗虚线箭头表示对服务器进程的正常迁移
  • 细线箭头表示异常变迁
 
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作者:小球why
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 @指尖猿 内容基本上是以TCP/IP详解这本书为准提炼,你可以摘录。具体请以《TCP/IP详解》这本书为准就不会错,书籍在线地址是:http://www.52im.net/topic-tcpipvol1.html,CHM下载是:http://www.52im.net/thread-506-1-1.html
 
 @何年何月 到这先看看资料热热身,你就知道 怎么选了:http://www.52im.net/http://www.52im.net/forum.php?mod=collection&op=all








以上是关于理论经典:TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

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