TCP/IP 协议

Posted 2020-11-22

TCP/IP 协议
链路层：对0、1进行分组、定义数据帧、确认主机的地理位置进行传输
网络层：定义ip地址，确认主机所在的网络位置，通过ip进行Mac寻址，对外网数据包进行路由转发
传输层：定义端口，确认本机上应用程序的身份并将数据包又给对应的应用程序。
应用层：定义数据格式，并按照对应的的格式解读数据

TCP/IP协议的传输打包图解，反之则是解包

三次握手机制，是建立TCP连接，并同步连接双方的序列号和确认号并交换TCP窗口大小信息，在socket编程中，客户端执行connect()时。将触发三次握手。

这边做一下解释：
1、第一次握手时，客户端发送一个TCP/IP的SYN标志位置1的包指明客户端打算连接的服务器的端口，以及初始化序号X，保存在包头的序列号Seq字段里。
2、第二次握手：
服务器发回确认包(ACK)应答。即SYN标志位和ACK标志位均为1同时，将确认序号ACK设置位客户的ISN加1，即图中的X+1。
3、第三次握手：
客户端再次发送确认包(ACK) SYN标志位为0 ACK标志位为1，并且把服务器发来的ACK的序号字段+1,放在确定字段中发送给对方，并且在数据段放写INS的+1。

TCP四次挥手
TCP的连接的拆除需要发送四个包，因此称为四次挥手。客户端或服务器均可主动发起挥手动作，在socket编程中，任何一方执行close()操作即可产生挥手操作。
图解：

主动放发出信号即触发了挥手机制。
解释：
1）客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
2）服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
3）客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。
4）服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
5）客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2??MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
6）服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

这边常出现的面试题：

一、为什么连接的时候时三次握手，关闭的时候却是四次挥手？
解答：因为Server端受到的Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文使用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当Server端受到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，通知Client端FIN报文Server端已经接收到了。但是Server端也并不能立即关闭连接，需要等待Server端的所有报文都发送完成后，Server才能发送FIN报文，因此SYN与ACK在Server端不能一并发送，所以需要四次挥手。

二、为什么TIME_WAIT(等待状态)需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态？
解答：虽然按道理，四个报文都发送完毕，我们可以直接进入CLOSE状态了，但是我们必须假象网络是不可靠的，这样能真正的符合现实，有可以最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。在Client发送出最后的ACK回复，但该ACK可能丢失。Server端如果没有受到ACK，将不断重复的发送FIN片段。所以Client不能立关闭，它必须确认Server接收到了ACK。Client会在发送出ACK之后进入到TIME_WAIT状态。Client会设置一个计时器，等待2MSL的时间。如果在该时间内再次收到FIN，那么Client会重发ACK并再次等待2MSL。而这里的2MSL是两倍的MSL(一个片段在网络中最大的存活时间，2MSL就是一个发送和一个回复所需的最大时间)。如果知道2MSL，Client都没有再次收到FIN，那么Client会推断ACK已经成功接收，则结束TCP连接。

三、为什么不能用两次握手进行TCP/IP连接？
解答：3次握手完成两个重要的工作，既要双方做好发送数据的准备工作(双方都知道批次已经准备好了)，同时也要允许双发就初始化序列号进行协商，这个序列号已经在握手的工作中被发送和确认。
如果把三次握手变成两次握手会怎么样呢？可能会导致死锁的发生。
图示：

解释：当两次握手，在假设A和B计算机之间开始了通讯，在A给B发送了一个请求连接分组，B也接收了并发送了确认应答分组，按照两次握手的协定，B认定为连接已经成功并发送返回成功信号，但是有可能的情况是信号丢失A无法接收到，这时出现的就是A在误以为B没有发送返回信号并且一直等待甚至怀疑对方B没有接收到请求信号，而B以为连接已经成功了，继续发送数据，但是A还在未成功建立连接，在等待的状态，它将忽略B所有发送过来的数据，而B发送数据后也在等待响应并没有接收到返回信号，造成了死锁。

四、如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？
在这种情况下，设计TCP/IP的人员同时在TCP设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现了故障，服务器不能一直的等待下去，造成资源的浪费，所以服务器每一次收到客户端的请求都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时后都没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75秒钟发送一次。如若一连发送了10个探测报文任然没有反应，服务器就认为客户端出现了故障，紧接着就是关闭连接。