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理论经典:TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解
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1、前言


尽管TCP和UDP都使用相同的网络层(IP),TCP却向应用层提供与UDP完全不同的服务。TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。

面向连接意味着两个使用TCP的应用(通常是一个客户和一个服务器)在彼此交换数据之前必须先建立一个TCP连接。这一过程与打电话很相似,先拨号振铃,等待对方摘机说“喂”,然后才说明是谁。

本文将分别讲解经典的TCP协议建立连接(所谓的“3次握手”)和断开连接(所谓的“4次挥手”)的过程。

2、相关资源


更多资料请查阅《TCP/IP 详解》这本书,目前即时通讯网(52im.net)已整理出了在线阅读版。经典著作,值得收藏和随时查阅,地址是:http://www.52im.net/topic-tcpipvol1.html

另外,如果你觉得本文对网络通信的基础知识讲的有点蒙逼的话,可继续看看下面这些精华文章大餐。

➊ 网络编程基础知识:


➋ 如果觉得上面的文章枯燥,则《网络编程懒人入门》系列可能是你的菜:


➌ 如果感到自已已经很牛逼了,《不为人知的网络编程》应该是你菜:


➍ 如果看完上面的文章还是躁动不安,那看看《高性能网络编程系列》吧:


本站的《脑残式网络编程入门》也适合入门学习,本系列大纲如下:


3、先来认识TCP报文格式


TCP/IP协议的详细信息参看《TCP/IP 协议详解》中有关TCP格式的章节(点此查看《TCP/IP详解 在线版》)。

下面是TCP报文格式图:

1.png

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。

4、3次握手过程详解


所谓三次握手(Three-Way Handshake)即建立TCP连接,就是指建立一个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:

2.png

(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=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包将产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


5、4次挥手过程详解


三次握手耳熟能详,四次挥手估计就少有人知道了。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:

3.png

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。

  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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:

4.png

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。

6、本文小结


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。

附录:更多网络编程资料


[1] 网络编程(基础)资料:
TCP/IP详解 - 第11章·UDP:用户数据报协议
TCP/IP详解 - 第17章·TCP:传输控制协议
TCP/IP详解 - 第18章·TCP连接的建立与终止
TCP/IP详解 - 第21章·TCP的超时与重传
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标签:TCP 网络编程

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评论 17
看这类理论总是没耐心,这次终于仔细看完了,很好,多谢分享!
很不错
很好
签名: 该会员没有填写今日想说内容.
不错
写的很好
4次握手过程详解中
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。

图片中最后一次ack的值应该是 n+1吧
基础知识,学习一下
学习一下,感谢
签名: 加油啊
学习了,很好
学习了,感谢分享
这个网站真好
引用:清风 发表于 2016-12-16 23:35
4次握手过程详解中
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, ...

应该是
四次挥手看懂了 谢谢楼主啦
引用:熬夜看书 发表于 2018-12-08 12:06
四次挥手看懂了 谢谢楼主啦

签名: 《手把手教你实现一套高效的IM长连接自适应心跳保活机制》http://www.52im.net/thread-3908-1-1.html
清晰明了
感谢感谢
很好。
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