三次握手和四次挥手

TCP(Transmission Control Protocol)网络传输控制协议,是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议,数据传输前建立连接的工作要经过三次握手,数据传输后断开连接的工作要经过四次挥手。

TCP共有6个标志位,分别是:

SYN(synchronous)---------建立联机
ACK(acknowledgement)-----确认
PSH(push)----------------传输
FIN(finish)--------------结束
RST(reset)---------------重置
URG(urgent)--------------紧急

图解三次握手和四次挥手的过程:

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三次握手建立连接阐述:

  • 第一次握手:客户端要和服务端进行通信,首先要告知服务端一声,遂发出一个SYN=1的连接请求信号,”服务端哥哥,我想给你说说话”。

第一次握手:建立连接时,客户端发送syn包(syn=j)到服务器,并进入SYN_SENT状态,等待服务器确认;SYN:同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers)。

  • 第二次握手:当服务端接收到客户端的连接请求,此时要给客户端一个确认信息,”我知道了(ACK),我这边已经准备好了,你现在能连吗(SYN)”。

第二次握手:服务器收到syn包,必须确认客户的SYN(ack=j+1),同时自己也发送一个SYN包(syn=k),即SYN+ACK包,此时服务器进入SYN_RECV状态。

  • 第三次握手:当客户端收到了服务端的确认连接信息后,要礼貌的告知一下服务端,“好的,咱们开始联通吧(ACK)”。

第三次握手:客户端收到服务器的SYN+ACK包,向服务器发送确认包ACK(ack=k+1),此包发送完毕,客户端和服务器进入ESTABLISHED(TCP连接成功)状态,完成三次握手。

到此整个建立连接的过程已经结束,接下来就是双方你一句我一句甚至同时交流传递信息的过程了。

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四次挥手断开连接阐述:

  • 第一次挥手:双方交流的差不多了,此时客户端也已经结尾了,接下来要断开通信连接,所以告诉服务端“我说完了(FIN)”,此时自身形成等待结束连接的状态。

  • 第二次挥手:服务端知道客户端已经没话说了,服务端此时还有两句心里话要给客户端说,“我知道你说完了(ACK),我再给你说两句,&*……%¥”。

  • 第三次挥手:此时客户端洗耳恭听继续处于等待结束的状态,服务器端也说完了,自身此时处于等待关闭连接的状态,并对告诉客户端,“我说完了,咱们断了吧(FIN)”。

  • 第四次挥手:客户端收知道服务端也说完了,也要告诉服务端一声(ACK),因为连接和断开要双方都按下关闭操作才能断开,客户端同时又为自己定义一个定时器,因为不知道刚才说的这句话能不能准确到达服务端(网络不稳定或者其他因素引起的网络原因),默认时间定为两个通信的最大时间之和,超出这个时间就默认服务器端已经接收到了自己的确认信息,此时客户端就关闭自身连接,服务器端一旦接收到客户端发来的确定通知就立刻关闭服务器端的连接。

到此为止双方整个通信过程就此终结。这里要声明一下:断开链接不一定就是客户端,谁都可以先发起断开指令,另外客户端和服务端是没有固定标准的,谁先发起请求谁就是客户端。

1)客户端进程发出连接释放报文,并且停止发送数据。释放数据报文首部,FIN=1,其序列号为seq=u(等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1),此时,客户端进入FIN-WAIT-1(终止等待1)状态。 TCP规定,FIN报文段即使不携带数据,也要消耗一个序号。
2)服务器收到连接释放报文,发出确认报文,ACK=1,ack=u+1,并且带上自己的序列号seq=v,此时,服务端就进入了CLOSE-WAIT(关闭等待)状态。TCP服务器通知高层的应用进程,客户端向服务器的方向就释放了,这时候处于半关闭状态,即客户端已经没有数据要发送了,但是服务器若发送数据,客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间,也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
3)客户端收到服务器的确认请求后,此时,客户端就进入FIN-WAIT-2(终止等待2)状态,等待服务器发送连接释放报文(在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据)。
4)服务器将最后的数据发送完毕后,就向客户端发送连接释放报文,FIN=1,ack=u+1,由于在半关闭状态,服务器很可能又发送了一些数据,假定此时的序列号为seq=w,此时,服务器就进入了LAST-ACK(最后确认)状态,等待客户端的确认。
5)客户端收到服务器的连接释放报文后,必须发出确认,ACK=1,ack=w+1,而自己的序列号是seq=u+1,此时,客户端就进入了TIME-WAIT(时间等待)状态。注意此时TCP连接还没有释放,必须经过2∗∗MSL(最长报文段寿命)的时间后,当客户端撤销相应的TCB后,才进入CLOSED状态。
6)服务器只要收到了客户端发出的确认,立即进入CLOSED状态。同样,撤销TCB后,就结束了这次的TCP连接。可以看到,服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

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常见面试题

【问题1】为什么连接的时候是三次握手,关闭的时候却是四次握手?

答: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。但是关闭连接时,当Server端收到FIN报文时,很可能并不会立即关闭SOCKET,所以只能先回复一个ACK报文,告诉Client端,”你发的FIN报文我收到了”。只有等到我Server端所有的报文都发送完了,我才能发送FIN报文,因此不能一起发送。故需要四步握手。

【问题2】为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态?

答:虽然按道理,四个报文都发送完毕,我们可以直接进入CLOSE状态了,但是我们必须假象网络是不可靠的,有可以最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。在Client发送出最后的ACK回复,但该ACK可能丢失。Server如果没有收到ACK,将不断重复发送FIN片段。所以Client不能立即关闭,它必须确认Server接收到了该ACK。Client会在发送出ACK之后进入到TIME_WAIT状态。Client会设置一个计时器,等待2MSL的时间。如果在该时间内再次收到FIN,那么Client会重发ACK并再次等待2MSL。所谓的2MSL是两倍的MSL(Maximum Segment Lifetime)。MSL指一个片段在网络中最大的存活时间,2MSL就是一个发送和一个回复所需的最大时间。如果直到2MSL,Client都没有再次收到FIN,那么Client推断ACK已经被成功接收,则结束TCP连接。

【问题3】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序列号进行协商,这个序列号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建立什么样的序列号,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。

【问题4】如果已经建立了连接,但是客户端突然出现故障了怎么办?

TCP还设有一个保活计时器,显然,客户端如果出现故障,服务器不能一直等下去,白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器,时间通常是设置为2小时,若两小时还没有收到客户端的任何数据,服务器就会发送一个探测报文段,以后每隔75秒钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应,服务器就认为客户端出了故障,接着就关闭连接。

【问题5】为什么断开链接的时候客户端设置的定时器时间等待要2MSL(两个通信报文的最大时间)?

这个问题也很好理解,当客户端最终告诉服务器端断开确认的时候,他不知道自己的发出的指令是否能准确的一次性被服务器接收。假如服务器没有接收到(这已经耗费了一个报文的最大通信时间了),服务器端将会重新发起一个结束通话的指令(FIN)到客户端,客户端又接收到了服务器发来的结束通信指令将继续给服务器进行一个确认,有人会说那要是客户端发出的确认信息服务端没收到,而服务端重发的断开指令客户端也没收到怎么办,说实话我也无奈,遇到这种情况咱们干脆认为网确实不行了。

【问题6】为什么建立连接要三次握手而断开连接要四次挥手?
说起这个,打一个比喻,目前祖国正在高速发展高铁,建立连接的过程正如上海到北京打通一条高铁线,TCP通信过程是一个全双工模式,即在这条高铁线上要有两个轨道,即能从上海发车到北京又能从北京发车到上海,甚至两边可以同时发车。所以断开连接前提就是要保证两条轨道都没有车,然后双方才能各自发起断开动作。

参考文章:

TCP/IP协议三次握手和四次挥手大白话解说

TCP的三次握手与四次挥手理解及面试题