TCP是什么? 最简单的三次握手说明

Posted 2020-10-22 半城樱花半城雨丶

1. OSI七层模型

　　 TCP(Transmission Control Protocol 传输控制协议)是一种面向连接(连接导向)的、可靠的、 基于IP的传输层协议。

　　TCP在IP报文的协议号是6。TCP是一个超级麻烦的协议，而它又是互联网的基础，也是每个程序员必备的基本功。

　　1.1  首先来看看OSI的七层模型:

　　　　

 

　　　　TCP工作在网络OSI的七层模型中的第四层——Transport层（传输层），IP在第三层——Network层（网络层），ARP 在第二层——Data Link层（数据链路层）

　　同时，我们需要简单的知道，数据从应用层发下来，会在每一层都会加上头部信息，进行封装，然后再发送到数据接收端。就是每个数据都会经过数据的封装和解封装的过程。

　　1.2  在OSI七层模型中，每一层的作用和对应的协议如下：

　　　　 

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2. TCP是什么？

　　TCP是一个协议，那这个协议是如何定义的，它的数据格式是什么样子的呢？要进行更深层次的剖析，就需要了解，甚至是熟记TCP协议中每个字段的含义。

　　2.1 图解TCP

　　 

　　　　上面就是TCP协议头部的格式，由于它太重要了，是理解其它内容的基础，下面就将重要字段的信息都详细的说明一下。

　　　　Ⅰ丶Source Port 和 Destination Port：分别占用16位，表示源端口号和目标端口号，用于区别主机中的不同进程，

　　　　　　 而IP地址是用来区分不同的主机的，源端口号和目的端口号配合上网络层 IP首部中的源IP地址和目的IP地址就能唯一的确定一个TCP连接；

　　　　Ⅱ丶Sequence Number：用来标识从TCP发端向TCP收端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的的第一个数据字节在数据流中的序号，主要用来解决网络报乱序的问题；

　　　　　　例如，某个TCP报文段传送的数据是字节流中的第1025~2048字节，那么该报文段的序号值就是ISN+1025.另外一个传输方向（从B到A）的TCP报文段的序号值也具有相同的含义。

　　　　Ⅲ丶Acknowledgment Number（32位确认序列号）： 接收方成功接收到数据后，会回复一个确认号数据包，表示已经确认接收到 数据包确认号 前面的所有数据。

　　　　　　因此，Acknowledgment Number的值应该是上次已成功收到数据字节序号加1。不过，只有当标志位中的ACK标志(下面介绍)为1 时该确认序列号的字段才有效。主要用来解决不丢包的问题；

　　　　　　请注意：这里的Acknowledgment Number 和 下面要讲述的ACK标识位不是一个东西哈。虽然简称一样，如果你搞混了误以为是一样，那么下面就看不懂了。

 

　　　　Ⅳ丶TCP Flags:TCP首部中有6个标识位，它们中的多个可同时被设置为1，主要是用于操控TCP的状态机的，依次 为 URG，ACK，PSH，RST，SYN，FIN。每个标志位的意思如下：

　　　　　　ACK：此标志表示应答域有效，就是说前面所说的TCP应答号将会包含在TCP数据包中；有两个取值：0和1， 为1的时候表示应答域有效，反之为0

　　　　　　SYN：SYN标志位和ACK标志位搭配使用，有两个取值：0和1

　　　　　　PSH：这个标志位表示Push操作。所谓Push操作就是指在数据包到达接收端以后，立即传送给应用程序， 而不是在缓冲区中排队

　　　　　　RST：这个标志表示连接复位请求。用来复位那些产生错误的连接，也被用来拒绝错误和非法的数据包

　　　　　　URG：此标志表示TCP包的紧急指针域(后面马上就要说到)有效，用来保证TCP连接不被中断，并且督促 中间层设备要尽快处理这些数据

　　　　　　FIN： 表示发送端已经达到数据末尾，也就是说双方的数据传送完成，没有数据可以传送了，发送FIN标志 位的TCP数据包后，连接将被断开。

 

　　2.2  三次握手

　　　　TCP是面向连接的，无论哪一方向另一方发送数据之前，都必须先在双方之间建立一条连接。

　　　　 

 

 

　　

　　　　为什么握三次，上图就可以看出了。

　　　　Ⅰ丶第一次握手：建立连接。客户端发送连接请求报文段，将SYN位置为1，Sequence Number为x；然后，客户端进入SYN_SEND状态，等待服务器的确认；

　　　　Ⅱ丶第二次握手：服务器收到SYN报文段。服务器收到客户端的SYN报文段，需要对这个SYN报文段进行确认，设置Acknowledgment Number为 x + 1(Sequence Number + 1)，并且ACK标识位为1；

　　　　　　同时，自己自己还要发送SYN请求信息，将SYN位置为1，Sequence Number为y；服务器端将上述所有信息放到一个报文段（即SYN + ACK报文段）中，一并发送给客户端，此时服务器进入SYN_RECV状态；

　　　　Ⅲ丶第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK报文段。然后将Acknowledgment Number设置为y+1，ACK为1，向服务器发送ACK报文段，

　　　　　　这个报文段发送完毕以后，客户端和服务器端都进入ESTABLISHED状态，完成TCP三次握手。

 　　　　再次强调：Acknowledgment Number和ACK标识位 不是一个东西。所以图上有误导的。

 

　　　　完成了三次握手，客户端和服务器端就可以开始传送数据。以上就是TCP三次握手的总体介绍。

 

　　　　问题：为什么要三次握手?

　　　　　　三次握手，那为什么非要三次呢？怎么觉得有前两次就可以了。那TCP为什么非要进行三次连接呢？在谢希仁的《计算机网络》中是这样说的：为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端，因而产生错误。

　　　　同时在书中同时举了一个例子，如下：

　　　　　　" 已失效的连接请求报文段 " 的产生在这样一种情况下：client 发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某个网络结点长时间的滞留了，以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。

　　　　　　本来这是一个早已失效的报文段。但 server收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是 client 再次发出的一个新的连接请求。于是就向 client 发出确认报文段，同意建立连接。

　　　　　　假设不采用“三次握手”，那么只要server发出确认，新的连接就建立了。由于现在 client 并没有发出建立连接的请求，因此不会理睬 server 的确认，也不会向server发送数据。

　　　　　　但 server 却以为新的运输连接已经建立，并一直等待client发来数据。这样，server 的很多资源就白白浪费掉了。采用 " 三次握手 " 的办法可以防止上述现象发生。

　　　　　　例如刚才那种情况，client 不会向server的确认发出确认。server 由于收不到确认，就知道 client 并没有要求建立连接"

　　　　这就很明白了，防止了服务器端的一直等待而浪费资源。

 

　　2.3  四次分手

　　　　　　　　　　　　　　

　　　　图示中的ACK是 Acknowledgment Number，不是ACK标识位。

 

　　　　当客户端和服务器通过三次握手建立了TCP连接以后，当数据传送完毕，肯定是要断开TCP连接的。那对于TCP的断开连接，这里就有了神秘的“四次分手”。

　　　　Ⅰ丶第一次分手：主机1（可以使客户端，也可以是服务器端），设置Seq和Ack，向主机2发送一个FIN报文段；此时，主机1进入FIN_WAIT_1状态；这表示主机1 没有数据要发送给主机2 了；

　　　　Ⅱ丶第二次分手：主机2 收到了主机1 发送的FIN报文段，向主机1回一个ACK报文段，Ack为Seq加1；主机1进入FIN_WAIT_2状态；主机2告诉主机1，我也没有数据要发送了，可以进行关闭连接了；

　　　　Ⅲ丶第三次分手：主机2向主机1发送FIN报文段，请求关闭连接，同时主机2进入CLOSE_WAIT状态；

　　　　Ⅳ丶第四次分手：主机1收到主机2发送的FIN报文段，向主机2发送ACK报文段，然后主机1进入TIME_WAIT状态;主机2收到主机1的ACK报文段以后，就关闭连接；

　　　　　　此时，主机1等待2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那好，主机1也可以关闭连接了。

 

　　　　至此，TCP的四次分手就这么完成了。当你看到这里，你的脑子里可能会有很多的疑问，感觉很乱，没事，我们继续总结。　　　　

 

　　　　问题：为什么要四次分手?

　　　　　　注：FIN： 表示发送端已经达到数据末尾，也就是说双方的数据传送完成，没有数据可以传送了，发送FIN标志 位的TCP数据包后，连接将被断开。

　　　　　　当主机1发出FIN报文段时，只是表示主机1已经没有数据要发送了，主机1告诉主机2， 它的数据已经全部发送完毕了；

　　　　　　但是，这个时候主机1还是可以接受来自主机2的数据；当主机2返回ACK报文段时，表示它已经知道主机1没有数据发送了，但是主机2还是可以发送数据到主机1的；

　　　　　　当主机2也发送了FIN 报文段时，这个时候就表示主机2也没有数据要发送了，就会告诉主机1，我也没有数据要发送了，之后彼此 就会愉快的中断这次TCP连接。（有请求，就必然有ACK回应）

 

　　　　如果要正确的理解四次分手的原理，就需要了解四次分手过程中的状态变化。

　　　　FIN_WAIT_1： 这个状态要好好解释一下，其实FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_2状态的真正含义都是表示等待对方的FIN报文。

　　　　　　　　　　  而这两种状态的区别是：FIN_WAIT_1状态实际上是当SOCKET在ESTABLISHED状态时， 它想主动关闭连接，向对方发送了FIN报文，此时该SOCKET即进入到FIN_WAIT_1状态。

　　　　　　　　　　  而当对方回应ACK报 文后，则进入到FIN_WAIT_2状态，当然在实际的正常情况下，无论对方何种情况下，都应该马上回应ACK 报文，

　　　　　　　　　　  所以FIN_WAIT_1状态一般是比较难见到的，而FIN_WAIT_2状态还有时常常可以用netstat看到。 (主动方)

　　　　FIN_WAIT_2：上面已经详细解释了这种状态，实际上FIN_WAIT_2状态下的SOCKET，表示半连接，也即 有一方要求close连接，但另外还告诉对方，我暂时还有点数据需要传送给你(ACK信息)，稍后再关闭连接。 (主动方)

　　　　CLOSE_WAIT：这种状态的含义其实是表示在等待关闭。怎么理解呢？当对方close一个SOCKET后发送FIN 报文给自己，你系统毫无疑问地会回应一个ACK报文给对方，此时则进入到CLOSE_WAIT状态。

　　　　　　　　　　  接下来呢，实际上你真正需要考虑的事情是察看你是否还有数据发送给对方，如果没有的话，那么你也就可以 close这个 SOCKET，发送FIN报文给对方，也即关闭连接。

　　　　　　　　　　  所以你在CLOSE_WAIT状态下，需要完成的事情是等待你去关闭连接。(被动方)

　　　　LAST_ACK：这个状态还是比较容易好理解的，它是被动关闭一方在发送FIN报文后，最后等待对方的ACK报 文。当收到ACK报文后，也即可以进入到CLOSED可用状态了。(被动方)

　　　　TIME_WAIT：表示收到了对方的FIN报文，并发送出了ACK报文，就等2MSL后即可回到CLOSED可用状态了。

　　　　　　　　　　 如果FINWAIT1状态下，收到了对方同时带FIN标志和ACK标志的报文时，可以直接进入到TIME_WAIT状态，而无 须经过FIN_WAIT_2状态。(主动方)

　　　　CLOSED：表示连接中断。