1.TCP报文头

　　网络中传输的数据包由两部分组成：一部分是协议所要用到的报文头，另一部分是上一层传过来的数据。

　　面我们就看看TCP报文头在网络传输起到的作用：

　　下面的图是TCP头部的规范定义，它定义了TCP协议如何读取和解析数据：

TCP首部承载这TCP协议需要的各项信息，下面我们来分析一下：

TCP端口号
TCP的连接是需要四个要素确定唯一一个连接：
（源IP，源端口号）+ （目地IP，目的端口号）
所以TCP首部预留了两个16位作为端口号的存储，而IP地址由上一层IP协议负责传递
源端口号和目地端口各占16位两个字节，也就是端口的范围是2^16=65535
另外1024以下是系统保留的，从1024-65535是用户使用的端口范围
TCP的序号和确认号：
32位序号 seq：Sequence number 缩写seq ，TCP通信过程中某一个传输方向上的字节流的每个字节的序号（这里表示的一次性发10个字节数据，那么序号应该直接加10，而不是加1。是按照发送多少个字节递增相加），通过这个来确认发送的数据有序，比如现在序列号为1000，发送了1000，下一个序列号就是2000。
32位确认号 ack：Acknowledge number 缩写ack，TCP对上一次seq序号做出的确认号，用来响应TCP报文段，给收到的TCP报文段的序号seq加1。
TCP的标志位
每个TCP段都有一个目的，这是借助于TCP标志位选项来确定的，允许发送方或接收方指定哪些标志应该被使用，以便段被另一端正确处理。
用的最广泛的标志是 SYN，ACK 和 FIN，用于建立连接，确认成功的段传输，最后终止连接。
1. SYN：简写为S，同步标志位，用于建立会话连接，同步序列号；
2. ACK：简写为.，确认标志位，对已接收的数据包进行确认；
3. FIN：简写为F，完成标志位，表示我已经没有数据要发送了，即将关闭连接；
4. PSH：简写为P，推送标志位，表示该数据包被对方接收后应立即交给上层应用，而不在缓冲区排队；
5. RST：简写为R，重置标志位，用于连接复位、拒绝错误和非法的数据包；
6. URG：简写为U，紧急标志位，表示数据包的紧急指针域有效，用来保证连接不被阻断，并督促中间设备尽快处理；

2.三次握手

　　所谓三次握手(Three-way Handshake)，是指建立一个 TCP 连接时，需要客户端和服务器总共发送3个报文。

　　三次握手的目的是连接服务器指定端口，建立 TCP 连接，并同步连接双方的序列号和确认号，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。

第一次握手：
客户端将TCP报文标志位SYN置为1，随机产生一个序号值seq=J，保存在TCP首部的序列号(Sequence Number)字段里，指明客户端打算连接的服务器的端口，并将该数据包发送给服务器端，发送完毕后，客户端进入SYN_SENT（同步已发送）状态，等待服务器端确认。
第二次握手：
服务器端收到数据包后由标志位SYN=1知道客户端请求建立连接，服务器端将TCP报文标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个序号值seq=K，并将该数据包发送给客户端以确认连接请求，服务器端进入SYN_RCVD（同步已接收）状态。
第三次握手：
客户端收到确认后，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，seq=J+1，并将该数据包发送给服务器端，服务器端检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，客户端和服务器端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态，完成三次握手，随后客户端与服务器端之间可以开始传输数据了。

注意:我们上面写的ack和ACK，不是同一个概念：

小写的ack代表的是头部的确认号Acknowledge number，缩写ack，确认号是接收方告诉发送方下一个期望接收的字节的序列号。它表示接收方已经成功接收到了序列号小于确认号的所有数据。确认号的作用是让发送方知道哪些数据已经成功到达接收方，从而避免重复发送这些数据。
举例：如果服务器收到了客户端发送的序列号为1000到1999的1000字节数据，那么服务器会向客户端发送一个确认报文段，其中的确认号为2000，表示服务器期望接收客户端下一个发送的字节的序列号是2000
大写的ACK，则是我们上面说的TCP首部的标志位，用于标志的TCP包是否对上一个包进行了确认操作，如果确认了，则把ACK标志位设置成1。

下面我自己做实验，开一个HTTP服务，监听80端口，然后使用Tcpdump命令抓包，看一下TCP三次握手的过程：

sudo tcpdump -n -t -S -i enp0s3  port 80 

第一次握手，标志位Flags=S
IP 10.0.2.2.51323 > 10.0.2.15.80: Flags [S], seq 84689409, win 65535, options [mss 1460], length 0
第二次握手，标志位Flags=[S.]
IP 10.0.2.15.80 > 10.0.2.2.51323: Flags [S.], seq 1893430205, ack 84689410, win 64240, options [mss 1460], length 0
第三次握手，标志位Flags=[.]
IP 10.0.2.2.51323 > 10.0.2.15.80: Flags [.], ack 1893430206, win 65535, length 0
建立连接后，客户端发送http请求 
IP 10.0.2.2.51321 > 10.0.2.15.80: Flags [P.], seq 1:753, ack 1, win 65535, length 752: HTTP: GET / HTTP/1.1

tcpdump命令解析一下：
-i : 指定抓包的网卡是enp0s3
-n: 把域名转成IP显示
-t: 不显示时间
-S: 序列号使用绝对数值，不指定-S的话，序列号会使用相对的数值
port: 指定监听端口是80
host:指定监听的主机名

我们看下实战中TCP的三次握手过程：

第一次握手，客户端51323端口号向服务器端80号端口发起连接，此时标志位flags=S，即SYN=1标志，表示向服务端发起连接的请求，同时生成序列号seq=84689409
第二次握手，服务端标志位flags=[S.]，即SYN+ACK标志位设置为1，表示对上一个请求连接的报文进行确认，同时设置ack=seq+1=184689410，生成序列号seq=1893430205
第三次握手，客户端对服务端的响应进行确认，所以此时标志位是[.]即ACK=1，同时返回对上一个报文的seq的确认号，ack=1893430206

至此，三次握手完成，一个TCP连接建立完成，接下来就是双端传输数据了。

3.为什么需要三次握手？　

　　防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务器，从而产生错误。

　　假设客户端发送了一个连接请求报文段，但由于网络拥塞等原因，这个报文段在某个网络节点长时间滞留。之后，客户端超时重传了连接请求报文段，并成功与服务器建立了连接，传输数据后释放了连接。然而，之前滞留的连接请求报文段最终到达了服务器。　　　　　　　　　　　　　　　　
　　如果采用两次握手，服务器收到这个滞留的连接请求报文段后，会误以为客户端又发起了一次新的连接请求，于是向客户端发送确认报文段并分配资源，等待客户端发送数据。但客户端并没有发起新的连接请求，不会理会服务器的确认报文段，这样服务器就会一直等待客户端的数据，造成服务器资源的浪费。

　　而三次握手可以避免这种情况，客户端在收到服务器的确认报文段后，会再次发送一个确认报文段给服务器，服务器只有在收到这个确认报文段后才会建立连接（这个时候才分配资源），从而防止了已失效的连接请求报文段导致的错误。

4.TCP四次挥手

　　四次挥手即终止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。
　　由于TCP连接是全双工的，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。

四次挥手过程的示意图如下：

挥手请求可以是Client端，也可以是Server端发起的，我们假设是Client端发起：

第一次挥手： Client端发起挥手请求，向Server端发送标志位是FIN = 1，seq = M 报文段，此时，Client端进入FIN_WAIT_1状态，这表示Client端没有数据要发送给Server端了。
第二次分手：Server端收到了Client端发送的FIN报文段，向Client端返回一个标志位是ACK = 1，ack = M +1的报文段, Client端进入FIN_WAIT_2状态，Server端告诉Client端，我确认并同意你的关闭请求。
第三次分手： Server端向Client端发送标志位是FIN = 1，seq = N, ack = M + 1, ACK = 1(server告知client，它已经成功接收到了client的上一次FIN关闭请求)的报文段请求关闭连接，同时Server端进入LAST_ACK状态。
第四次分手 ： Client端收到Server端发送的FIN报文段，向Server端发送标志位是ACK = 1, ack = N + 1, seq = M + 1的报文段，然后Client端进入TIME_WAIT状态。Server端收到Client端的ACK报文段以后，就关闭连接。此时，Client端等待2MSL的时间后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那好，Client端也可以关闭连接了。

第二次挥手：ACK的作用是确认客户端的FIN，告诉客户端“我已经收到你的关闭请求”。
- 此时连接并未完全关闭，服务器可能还在发送数据。
- 如果ACK丢失，客户端会重传FIN（因为客户端在FIN_WAIT1状态会等待ACK，超时后重传FIN）。
- 因此，服务器不需要等待2MSL来确保ACK的可靠性。
第三次挥手：FIN的作用是通知对方“我已经没有数据要发送了”。
- 如果ACK丢失，服务器会重传FIN，客户端需要等待足够的时间（2MSL）来确保服务器能收到ACK或重传的FIN。
- 2MSL的作用是确保网络中所有可能存在的旧报文段都已消失，避免后续连接受到干扰。

假如第三次挥手没有等待2MSL，直接关掉。那么第四次挥手server端没收到，server端重发FIN报文，client端就不会再相应了。而第二次挥手双方并没有真正关闭，所以还能没收到ACK报文重传上次得报文。

5.为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次挥手？

　　建立连接时因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。所以建立连接只需要三次握手。

　　由于TCP协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的运输层通信协议，TCP是全双工模式。

　　这就意味着，关闭连接时，当Client端发出FIN报文段时，只是表示Client端告诉Server端数据已经发送完毕了。当Server端收到FIN报文并返回ACK报文段，表示它已经知道Client端没有数据发送了，但是Server端还是可以发送数据到Client端的，所以Server很可能并不会立即关闭SOCKET，直到Server端把数据也发送完毕。

　　当Server端也发送了FIN报文段时，这个时候就表示Server端也没有数据要发送了，就会告诉Client端，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。

　　不同的点就是：三次握手中server第一次的回复的报文中，是回复了ACK和SYN两种状态，可以理解为我接受到client刚发的报文做出应答，并且我同意建立连接。但是四次挥手的时候，当server端第一次回复报文只能回复ACK，不能回复FIN。因为server端有可能有数据没发送完。要等server端数据发送完，才由server端发送FIN报文给client告知我server端也没有数据要发送了。

5.为什么要等待2MSL？

问题：为什么是2MSL，不是1.5MSL或者其他？

　　MSL：报文段最大生存时间，它是任何报文段被丢弃前在网络内的最长时间。

有以下两个原因：

　　保证客户端最后发送的ACK能够到达服务器：这个ACK报文段可能会丢失，使得处于LAST_ACK状态的服务器得不到对已发送FIN报文段的确认，从而会触发超时重传。服务器会重发FIN报文段，客户端能保证在2MSL时间内收到来自服务器的重传FIN报文段，从而客户端重新发送ACK应答报文段，并重置2MSL计数。假如客户端不等待2MSL就直接进入CLOSE状态，那么服务器会一直处于LAST_ACK状态。当客户端发起建立SYN报文段请求建立新的连接时，服务端会发送RST报文段给客户端，连接建立的过程就会被终止。

　　防止已失效的连接请求报文段出现在本连接中：TIME_WAIT等待的2MSL时间，确保本连接内所产生的所有报文段都从网络中消失，使下一个新的连接中不会出现这种旧的连接请求报文段。

posted @ 2021-11-19 20:07 一个不知道干嘛的小萌新阅读(70) 评论(0) 收藏举报

刷新页面返回顶部

《tcp三次握手和四次挥手》

5.为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次挥手？

5.为什么要等待2MSL？

公告