TCP协议建立连接(3次握手)和断开连接(4次挥手)的过程
TCP协议(传输控制协议, Transmission Control Protocol)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议,由IETF的RF793定义。
面向连接意味着两个使用TCP的应用(通常是一个客户端和一个服务器)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。双方的数据传输都可以通过这一个连接进行。完成数据交换后,双方必须断开此连接,以释放系统资源。这种连接是一对一的。本文通过类比生活中的打电话实例,来重点理解TCP协议建立连接(3次握手)和断开连接(4次挥手)的过程。
首先需要了解几个字段:
(1)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。它的初始序号是随机的,相对序号/确认序号是和TCP会话的初始序号相关联的。该序号被用来跟踪该端发送的数据量。每一个包中都包含序号,在接收端则通过确认序号用来通知发送端数据成功接收。
(2)确认序号:ack序号,占32位,只有ACK标志位为1时(不要将确认序号ack与标志位中的ACK弄混了),确认序号才有效。确认方ack = 发起方seq +1,两端配对。
(3)位码即TCP标志位,有6种,具体含义如下:
SYN(synchronous建立连接) 发起一个新连接
ACK(acknowledgement 表示响应、确认) 确认序号有效
PSH(push表示有DATA数据传输) 接收方应尽快将这个报文交给应用层
FIN(finish关闭连接) 释放一个连接
RST(reset表示连接重置)
URG(urgent pointer紧急指针字段值有效)
一、三次握手过程理解
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。
以下图生活中的打电话为例:
图一、打电话过程中建立的连接
三次握手:
(1)第一次握手:客户端Client将标志位SYN置为1,随机产生一个序号值(seq = J),发送SYN包到服务器Server,客户端进入SYN_SEND状态,等待服务器确认。
(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。
握手过程中传送的包里不包含数据,三次握手完毕后,客户端与服务器才正式开始传送数据。理想状态下,TCP连接一旦建立,在通信双方中的任何一方主动关闭连接之前,TCP 连接都将被一直保持下去。
确认号:其数值等于发送方的发送序号+1(即接收方期望接收的下一个***)。
图二、TCP中三次握手(建立连接)
问题扩展:为什么不能用两次握手进行连接?
答:3次握手完成两个重要的功能,既要双方做好发送数据的准备工作(双方都知道彼此已准备好),也要允许双方就初始***进行协商,这个***在握手过程中被发送和确认。
现在把三次握手改成仅需要两次握手,死锁是可能发生的。作为例子,考虑计算机S和C之间的通信,假定C给S发送一个连接请求分组,S收到了这个分组,并发 送了确认应答分组。按照两次握手的协定,S认为连接已经成功地建立了,可以开始发送数据分组。可是,C在S的应答分组在传输中被丢失的情况下,将不知道S 是否已准备好,不知道S建立什么样的***,C甚至怀疑S是否收到自己的连接请求分组。在这种情况下,C认为连接还未建立成功,将忽略S发来的任何数据分 组,只等待连接确认应答分组。而S在发出的分组超时后,重复发送同样的分组。这样就形成了死锁。
二、四次挥手过程的理解
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。中断连接端可以是Client端,也可以是Server端。
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。
生活中断开电话连接的例子如下图所示:
图三、类比于四次挥手的断开电话连接的图例
四次挥手:
图四、四次挥手示意图
(1)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。
(2)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。
(3)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。
(4)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。
问题拓展:为什么建立连接是三次握手,而关闭连接却是四次挥手呢?
答: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。