简述TCP连接的建立与释放(三次握手、四次挥手)

        在介绍TCP连接的建立与释放之前,先回顾一下相关知识。        

        TCP是面向连接的运输层协议,它提供可靠交付的、全双工的、面向字节流的点对点服务。HTTP协议便是基于TCP协议实现的。(虽然作为应用层协议,HTTP协议并没有明确要求必须使用TCP协议作为运输层协议,但是因为HTTP协议对可靠性的的要求,默认HTTP是基于TCP协议的。若是使用UDP这种不可靠的、尽最大努力交付的运输层协议来实现HTTP的话,那么TCP协议的流量控制、可靠性保障机制等等功能就必须全部放到应用层来实现)相比网络层更进一步,运输层着眼于应用进程间的通信,而不是网络层的主机间的通讯。我们常见的端口、套接字等概念就是由此而生。(端口代表主机上的一个应用进程、而套接字则是ip地址与端口号的合体,可以在网络范围内唯一确定一个应用进程) TCP协议的可靠传输是通过滑动窗口的方法实现的;拥塞控制则有着慢开始和拥塞避免、快重传和快恢复、RED随机早期检测几种办法。(这几个知识点在这里就先不细致总结了,大家可以回顾计网课本23333)

        另外,TCP协议的报文格式也需要回顾一下: 


                TCP报文段的首部分为固定部分和选项部分,固定部分长20byte,而选项部分长度可变。(若整个首部长度不是4byte的整数倍的话,则需要用填充位来填充)在固定首部中,与本文密切相关的是以下几项:

                                seq(序号):TCP连接字节流中每一个字节都会有一个编号,而本字段的值指的是本报文段所发送数据部分第一个字节的序号。

                                ack(确认号):表示期望收到的下一个报文段数据部分的第一个字节的编号,编号为ack-1及以前的字节已经收到。

                                SYN:当本字段为1时,表示这是一个连接请求或者连接接受报文。

                                ACK:仅当本字段为1时,确认号才有效。

                                FIN:用来释放一个连接。当本字段为1时,表示此报文段的发送端数据已发送完毕,要求释放运输连接。



        下面就是本文的重点了:TCP的运输连接管理。 

                运输连接具有三个阶段:连接建立、数据传送以及连接释放。运输连接管理就是对连接建立以及连接释放过程的管控,使得其能正常运行,达到这些目的:使通信双方能够确知对方的存在、可以允许通信双方协商一些参数(最大报文段长度、最大窗口大小等等)、能够对运输实体资源进行分配(缓存大小等)。TCP连接的建立采用客户-服务器模式:主动发起连接建立的应用进程叫做客户,被动等待连接建立的应用进程叫做服务器。

                连接建立阶段:

                        第一次握手:客户端的应用进程主动打开,并向客户端发出请求报文段。其首部中:SYN=1,seq=x。

                        第二次握手:服务器应用进程被动打开。若同意客户端的请求,则发回确认报文,其首部中:SYN=1,ACK=1,ack=x+1,seq=y。

                        第三次握手:客户端收到确认报文之后,通知上层应用进程连接已建立,并向服务器发出确认报文,其首部:ACK=1,ack=y+1。当服务器收到客户端的确认报文之后,也通知其上层应用进程连接已建立。

                        在这个过程中,通信双方的状态如下图,其中CLOSED:关闭状态、LISTEN:收听状态、SYN-SENT:同步已发送、SYN-RCVD:同步收到、ESTAB-LISHED:连接已建立


                        至此,TCP连接就建立了,客户端和服务器可以愉快地玩耍了。只要通信双方没有一方发出连接释放的请求,连接就将一直保持。


                连接释放阶段:

                        第一次挥手:数据传输结束以后,客户端的应用进程发出连接释放报文段,并停止发送数据,其首部:FIN=1,seq=u。

                        第二次挥手:服务器端收到连接释放报文段之后,发出确认报文,其首部:ack=u+1,seq=v。此时本次连接就进入了半关闭状态,客户端不再向服务器发送数据。而服务器端仍会继续发送。

                        第三次挥手:若服务器已经没有要向客户端发送的数据,其应用进程就通知服务器释放TCP连接。这个阶段服务器所发出的最后一个报文的首部应为:FIN=1,ACK=1,seq=w,ack=u+1。

                        第四次挥手:客户端收到连接释放报文段之后,必须发出确认:ACK=1,seq=u+1,ack=w+1。 再经过2MSL(最长报文端寿命)后,本次TCP连接真正结束,通信双方完成了他们的告别。

                        在这个过程中,通信双方的状态如下图,其中:ESTAB-LISHED:连接建立状态、FIN-WAIT-1:终止等待1状态、FIN-WAIT-2:终止等待2状态、CLOSE-WAIT:关闭等待状态、LAST-ACK:最后确认状态、TIME-WAIT:时间等待状态、CLOSED:关闭状态



                统一解释几个问题:

                        1、在握手与挥手的过程中,往复的ack与seq有什么含义?

                              这是通信双方在通信过程中的一种确认手段,确保通信双方通信的正确性。例如小时候模仿电视剧里无线电呼叫的过程:“土豆土豆,我是地瓜,你能听到吗?”“地瓜地瓜,我是土豆,我能听到”。 若客户端的报文请求号为“土豆”,则服务器端就将返回确认号“土豆+1”(标志土豆已收到),是一种通信双方的确认手段。


                        2、在结束连接的过程中,为什么在收到服务器端的连接释放报文段之后,客户端还要继续等待2MSL之后才真正关闭TCP连接呢?

                              这里有两个原因:第一个是:需要保证服务器端收到了客户端的最后一条确认报文。假如这条报文丢失,服务器没有接收到确认报文,就会对连接释放报文进行超时重传,而此时客户端连接已关闭,无法做出响应,就造成了服务器端不停重传连接释放报文,而无法正常进入关闭状态的状况。而等待2MSL,就可以保证服务器端收到了最终确认;若服务器端没有收到,那么在2MSL之内客户端一定会收到服务器端的重传报文,此时客户端就会重传确认报文,并重置计时器。

                                                          第二个是:存在一种“已失效的连接请求报文段”,需要避免这种报文端出现在本连接中,造成异常。  

                                                                            这种“已失效的连接请求报文段”是这么形成的:假如客户端发出了连接请求报文,然而服务器端没有收到,于是客户端进行超时重传,再一次发送了连接请求报文,并成功建立连接。然而,第一次发送的连接请求报文并没有丢失,只是在某个网络结点中发生了长时间滞留,随后,这个最初发送的报文段到达服务器端,会使得服务器端误以为客户端发出了新的请求,造成异常。


                        3、若通信双方同时请求连接或同时请求释放连接,情况如何?

                              这种情况虽然发生的可能性极小,但是是确实存在的,TCP也特意设计了相关机制,使得在这种情况下双方仅建立一条连接。双方同时请求连接的情况下,双方同时发出请求连接报文,并进入SYN-SENT状态;当收到对方的请求连接报文后,会再次发送请求连接报文,确认号为对方的SYN+1,并进入SYN-RCVD状态;当收到对方第二次发出的携带确认号的请求报文之后,会进入ESTAB-LISHED状态。 双方同时请求释放连接也是同样的,双方同时发出连接释放报文,并进入FIN-WAIT-1状态;在收到对方的报文之后,发送确认报文,并进入CLOSING状态;在收到对方的确认报文后,进入TIME-WAIT状态,等待2MSL之后关闭连接。需要注意的是,这个时候虽然不用再次发送确认报文并确认对方收到,双方仍需等待2MSL之后再关闭连接,是为了防止“已失效的连接请求报文段”的影响。 过程图如下:

        


                这既是计算机网络中的重要知识,也是前端技术笔试、面试中容易涉及的问题,特整理~

posted @ 2016-12-02 18:48  贰拾肆樵  阅读(...)  评论(... 编辑 收藏