TCP协议

TCP协议全称: 传输控制协议, 顾名思义, 就是要对数据的传输进行一定的控制.
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序列号seq:占4个字节,用来标记数据段的顺序,TCP把连接中发送的所有数据字节都编上一个序号,第一个字节的编号由本地随机产生;给字节编上序号后,就给每一个报文段指派一个序号;序列号seq就是这个报文段中的第一个字节的数据编号。

确认号ack:占4个字节,期待收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号;序列号表示报文段携带数据的第一个字节的编号;而确认号指的是期望接收到下一个字节的编号;因此当前报文段最后一个字节的编号+1即为确认号。

确认ACK:占1位,仅当ACK=1时,确认号字段才有效。ACK=0时,确认号无效

同步SYN:连接建立时用于同步序号。当SYN=1,ACK=0时表示:这是一个连接请求报文段。若同意连接,则在响应报文段中使得SYN=1,ACK=1。因此,SYN=1表示这是一个连接请求,或连接接受报文。SYN这个标志位只有在TCP建产连接时才会被置1,握手完成后SYN标志位被置0。

终止FIN:用来释放一个连接。FIN=1表示:此报文段的发送方的数据已经发送完毕,并要求释放运输连接

PS:ACK、SYN和FIN这些大写的单词表示标志位,其值要么是1,要么是0;ack、seq小写的单词表示序号。

三次握手过程理解(一)

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第一次握手:建立连接时,客户端发送syn包(syn=x)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:服务器收到syn包,必须确认客户的SYN(ack=x+1),同时自己也发送一个SYN包(syn=y),即SYN+ACK包,此时服务器进入SYN_RECV状态;

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=y+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。

四次挥手过程理解(一)

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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。

三次握手(二)

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刚开始, 客户端和服务器都处于 CLOSE 状态.
此时, 客户端向服务器主动发出连接请求, 服务器被动接受连接请求.

1, TCP服务器进程先创建传输控制块TCB, 时刻准备接受客户端进程的连接请求, 此时服务器就进入了 LISTEN(监听)状态
2, TCP客户端进程也是先创建传输控制块TCB, 然后向服务器发出连接请求报文,此时报文首部中的同步标志位SYN=1, 同时选择一个初始序列号 seq = x, 此时,TCP客户端进程进入了 SYN-SENT(同步已发送状态)状态。TCP规定, SYN报文段(SYN=1的报文段)不能携带数据,但需要消耗掉一个序号。
3, TCP服务器收到请求报文后, 如果同意连接, 则发出确认报文。确认报文中的 ACK=1, SYN=1, 确认序号是 x+1, 同时也要为自己初始化一个序列号 seq = y, 此时, TCP服务器进程进入了SYN-RCVD(同步收到)状态。这个报文也不能携带数据, 但是同样要消耗一个序号。
4, TCP客户端进程收到确认后还, 要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1,确认序号是 y+1,自己的序列号是 x+1.
5, 此时,TCP连接建立,客户端进入ESTABLISHED(已建立连接)状态。当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态,此后双方就可以开始通信了。

  • 为什么不用两次?
    主要是为了防止已经失效的连接请求报文突然又传送到了服务器,从而产生错误。如果使用的是两次握手建立连接,假设有这样一种场景,客户端发送的第一个请求连接并且没有丢失,只是因为在网络中滞留的时间太长了,由于TCP的客户端迟迟没有收到确认报文,以为服务器没有收到,此时重新向服务器发送这条报文,此后客户端和服务器经过两次握手完成连接,传输数据,然后关闭连接。此时之前滞留的那一次请求连接,因为网络通畅了, 到达了服务器,这个报文本该是失效的,但是,两次握手的机制将会让客户端和服务器再次建立连接,这将导致不必要的错误和资源的费。
    如果采用的是三次握手,就算是那一次失效的报文传送过来了,服务端接受到了那条失效报文并且回复了确认报文,但是客户端不会再次发出确认。由于服务器收不到确认,就知道客户端并没有请求连接。
  • 为什么不用四次?
    因为三次已经可以满足需要了, 四次就多余了.

四次挥手(二)

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数据传输完毕后,双方都可以释放连接.
此时客户端和服务器都是处于ESTABLISHED状态,然后客户端主动断开连接,服务器被动断开连接.

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,确认序号为 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终数据)
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,确认序号为v+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,确认序号为w+1,而自己的序列号是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。

为什么最后客户端还要等待 2*MSL的时间呢?

  • MSL(Maximum Segment Lifetime),TCP允许不同的实现可以设置不同的MSL值。

  • 第一,保证客户端发送的最后一个ACK报文能够到达服务器,因为这个ACK报文可能丢失,站在服务器的角度看来,我已经发送了FIN+ACK报文请求断开了,客户端还没有给我回应,应该是我发送的请求断开报文它没有收到,于是服务器又会重新发送一次,而客户端就能在这个2MSL时间段内收到这个重传的报文,接着给出回应报文,并且会重启2MSL计时器。

  • 第二,防止类似与“三次握手”中提到了的“已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中。客户端发送完最后一个确认报文后,在这个2MSL时间中,就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文。

  • 为什么建立连接是三次握手,关闭连接确是四次挥手呢?
    建立连接的时候, 服务器在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,服务器收到对方的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,而自己也未必全部数据都发送给对方了,所以己方可以立即关闭,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,从而导致多了一次。
  • 如果已经建立了连接, 但是客户端突发故障了怎么办?
    TCP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。