TCP协议三次握手和四次握手

Posted 2021-11-26 cubemen

前言

　　先说一下IP协议和TCP协议，IP协议是无连接的通信协议，IP不会占用两个设备之间通信的线路，IP实际上主要负责将每个数据包路由至目的地，但是IP协议并没有能够确保数据包是否到达，传过去的数据包是否按照顺序排列，所以IP数据包是不可靠的。而解决数据不可靠的问题就是由TCP协议来完成，接下来就介绍TCP协议，是如何让这些数据可靠的。

TCP概念

TCP（Transmission Control Protocol 传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，前面的博客有介绍，在简化的计算机网络OSI模型中，它完成第四层传输层所指定的功能，用户数据报协议（UDP）是同一层内另一个重要的传输协议。数据传输时，应用程序向TCP层发送数据流，TCP就会将接受到的数据流切分成报文段（会根据当前网络环境来调整报文段的大小），然后经过下面的层层传递，最终传递给目标节点的TCP层。为了防止丢包，TCP协议会在数据包上标有序号，对方收到则发送ACK确认，未收到则重传。这个步骤就是我们通常所说的TCP建立连接的三次握手。同时TCP会通过奇偶校验和的方式来校验数据传输过程中是否出现错误。下面来详细介绍三次握手的过程。

TCP报文中的6个标志位

先来简单介绍一下TCP报文

在这里主要介绍一下那6个标志位

URG：紧急指针标志，当为1时表示紧急指针有效，为0则忽略紧急指针

ACK：确认序号标志，为1表示确认号有效，为0表示报文中不含有确认信息，确认号无效

PSH：push标志，当为1时就是让接收方收到该TCP报文的时候不进入缓冲区排队而是快速发给应用程序

RST：重置连接标志，当连接出现错误时可以重置，或者用于拒绝非法的报文段和连接请求

SYN：同步序号，用于建立连接过程

FIN：finish标志，用于释放连接

TCP建立连接的三次握手

下面是示意图：

 （注：seq代表序号，ack代表确认号）

第一次握手：当客户端需要去建立连接时，客户端就会发送SYN包（seq=x）到服务器，然后客户端进入SYN_SEND的状态，代表已经发SYN包过去，并且在等待服务器确认。此时ACK=0,SYN=1.，这时候由于才第一次握手，所以没有ACK标志

第二次握手：服务器收到SYN包，就会进行确认，由上面的标志位介绍我们可以知道SYN是表示同步序号，这时候会使得确认号=序号+1，即ack就会等于x+1，然后服务器也会像客户端发送一个SYN包（seq=y），这时候也就是服务器会发送SYN+ACK包，来表示服务器确认到了客户端的一次握手并且二次握手建立，此时服务器进入SYN_RECV状态。此时SYN=1，ACK=1，这时候由于是第二次握手，所以就会有一个服务器给客户端的确认标志。

第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，然后就会像服务器发送确认包ACK（ack=k+1）和SYN（seq=x+1），等到这个包发送完毕之后客户端和服务器就会进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，而后就可以在服务端和客户端之间传输数据。此时SYN标志位已经不需要，因为当我们发送ACK标志位的时候代表三次握手成功，已经建立完连接了，接下来可以传送数据过去了。

既然都有SYN包那为什么还要ACK来确认呢？SYN是同步序号，当 SYN=1 而ACK=0 时，表明这是一个连接请求报文。对方若同意建立连接，则应在响应报文中使 SYN=1 和 ACK=1。因此SYN置1就表示这是一个连接请求或连接接受报文。而ACK状态是用来确认是否同意连接。也就是传了 SYN，证明发送方到接收方的通道没有问题，但是接收方到发送方的通道还需要 ACK 信号来进行验证。

当TCP三次握手完之后，就代表连接已经建立完成，那么连接断开又是怎么样的呢？

TCP四次握手

当在传送完数据之后，客户端会和服务端之间有四次握手

第一次握手：客户端发送一个FIN和序号过去（seq=u），用来表示客户端和服务端之间有关闭的请求，同时关闭客户端到服务端的数据传送，客户端就进入FIN_WAIT_1的状态。

第二次握手：服务端收到FIN=1的标志位时，就会发送一个ACK标志位代表确认，然后确认序号就变成了收到的序号加1，即ack=u+1（FIN和SYN在这点上相同，但是作用不一样）这时候服务端进入CLOSE_WAIT状态，这是一个半关闭状态。只能服务端给客户端发送数据而客户端不能给服务端发送数据。

第三次握手：这次握手还是由服务端发起，这是服务端在传完最后的数据（没有就不传）就会发送一个FIN=1和ACK=1，且序号seq会改变（没有传数据则不变），而ack不变。这时候服务端就会进入LAST_ACK状态，表示最后确认一次。

第四次握手：客户端在接收到FIN之后，就会进入TIME_WAIT状态，接着就发送一个ACK和seq=u+1,ack=w+1给服务端，这时候服务端就会进入CLOSED状态。而客户端进入TIME_WAIT状态的时候必须要等待2MSL的时间才会关闭

为什么会有TIME_WAIT状态呢？（MSL：网络中数据报文存在的最大时间）

1、TIME_WAIT状态可以确保有足够的时间让对方接收到ACK包，如果ACK没有到达，在传输的过程丢失了或者一些其他原因，这样就可以让客户端重发ACK包。如果客户端直接关闭了，那么就有可能导致服务端在一些情况下没有接收到ACK包而无法与客户端断开连接。这样客户端发送ACK包到服务端，服务端请求重发，一来一回就正好是2MSL

2、保证迟来的TCP报文段有足够的时间被识别并丢弃，linux 中一个TCPport不能打开两次或两次以上。当client处于time_wait状态时我们将无法使用此port建立新连接，假设不存在time_wait状态，新连接可能会收到旧连接的数据。

服务器出现大量COLSE_WAIT状态的原因？这时候很可能是因为程序中在收到FIN=1的TCP报文后，由于忙于读或者写，没有去及时发送FIN回来，也就是无法及时关闭连接。这时候需要着重检查释放资源的代码和处理请求的线程配置，有可能是代码中有资源没有被释放掉，也有可能是线程池中的线程数不合理等等