理解TCP/IP三次握手与四次挥手的正确姿势


来自:Champin 的博客

背景

和女朋友异地恋一年多,为了保持感情我提议每天晚上视频聊天一次。

从好上开始,到现在,一年多也算坚持下来了。

问题

有时候聊天的过程中,我的网络或者她的网络可能会不好,视频就会卡住,听不到对方的声音,过一会儿之后才会恢复。

中间双方可能就要不断的确认网络是否恢复,但是有时候会:

她:“你可以听到了吗?”

我:“可以了,你呢?”、

她:“喂喂,你可以听到了吗?”

我:“可以了,我可以听到了,你呢?”

她:“你可以听到了吗?”

.....

这种情况很蛋疼,那么怎样才能找一个简单的办法,让两个人都确认自己可以听到对方的声音,对方也可以听到自己的声音呢?

注:以下情节纯属虚构

方案

TCP建立连接为什么是三次握手,而不是两次或四次?

TCP,名为传输控制协议,是一种可靠的传输层协议,IP协议号为6。

顺便说一句,原则上任何数据传输都无法确保绝对可靠,三次握手只是确保可靠的基本需要。

举个日常例子,打电话时我们对话如下:

 

对应为客户端与服务器之间的通信:

于是有了如下对话:

我:1+1等于几?

她:2,2+2等于几?

我:4

首先两个人约定协议

1、感觉网络情况不对的时候,任何一方都可以发起询问
2、任何情况下,若发起询问后5秒还没收到回复,则认为网络不通
3、网络不通的情况下等1min路由器之后再发起询问

对于我而言,发起 “1+1等于几”的询问后

1、若5s内没有收到回复,则认为网络不通
2、若收到回复,则我确认①我能听到她的消息 ②她能听到我的消息,然后回复她的问题的答案

对于她而言,当感觉网络情况不对的时候

1、若没有收到我的询问,则她发起询问
2、若收到“1+1等于几”,则她确认 ①她可以听到我的消息,然后回复我的问题的答案和她的问题“2,2+2等于几”
3、若5s内没有收到我的回复“4”,则她确认 ②我听不见她的消息
4、若5s内收到了我的回复“4”,则她确认 ②我可以听见她的消息

这样,如果上面的对话得以完成,就证明双方都可以确认自己可以听到对方的声音,对方也可以听到自己的声音!

这个故事可以解释TCP为什么要三次握手吗 ... 囧

关于四次挥手

先由客户端向服务器端发送一个FIN,请求关闭数据传输。

当服务器接收到客户端的FIN时,向客户端发送一个ACK,其中ack的值等于FIN+SEQ

然后服务器向客户端发送一个FIN,告诉客户端应用程序关闭。

当客户端收到服务器端的FIN是,回复一个ACK给服务器端。其中ack的值等于FIN+SEQ

 

为什么要4次挥手?

确保数据能够完整传输。

当被动方收到主动方的FIN报文通知时,它仅仅表示主动方没有数据再发送给被动方了。

但未必被动方所有的数据都完整的发送给了主动方,所以被动方不会马上关闭SOCKET,它可能还需要发送一些数据给主动方后,

再发送FIN报文给主动方,告诉主动方同意关闭连接,所以这里的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的。

一、TCP报文格式

  TCP报文格式图:

 

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。 

二、三次握手

TCP(Transmission Control Protocol) 传输控制协议


TCP是主机对主机层的传输控制协议,提供可靠的连接服务,采用三次握手确认建立一个连接


位码即tcp标志位,有6种标示:


SYN(synchronous建立联机)

ACK(acknowledgement 确认)

PSH(push传送)

FIN(finish结束)

RST(reset重置)

URG(urgent紧急)


Sequence number(顺序号码)

Acknowledge number(确认号码) 

establish  建立,创建

所谓三次握手(Three-Way Handshake)即建立TCP连接,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:


 

(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 (number )=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包将长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

三、四次挥手

三次握手耳熟能详,四次挥手估计就..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:


 

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。

(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。



 

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:



  

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。


四、附注

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。

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