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TCP协议三次握手&四次挥手

计算机网络
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2019/03/12 Share

TCP协议中的『三次握手』与『四次挥手』

TCP/IP 参考模型

TCP 协议属于著名的TCP/IP 参考模型，被全球范围内的互联网所使用，该模型从上至下分为『应用层』『传输层』『网络层/互联网层』『数据链路层』，相较于它的原型七层 OSI 参考模型少了『表示层』『会话层』以及『物理层』；

TCP (Transport Control Protocol)即传输控制协议是一个可靠的、面向连接的协议，位于 TCP/IP 模型的第二层『传输层』，该层定义了两个端到端的传输协议，设计目标是允许源主机与目标主机上的对等实体进行对话；同样位于该层的还有用户数据报协议（UDP，User Datagram Protocol），该协议是无连接且不可靠的协议，一般用于语音和视频传输；

TCP 报文信息

TCP 的头部报文结构如下：

TCPHEADER
图片来源

  • 『Port』 传输层与网络层的一个相似任务就是寻址，TCP 协议不关心 IP 地址，只关心目标进程的端口号，因此会携带发起通信进程的端口号和目标端口号；

  • 『Sequence Number』即 seq序号，用于表明当前数据包的顺序， 接收方根据这个序号来给接收到的数据包排序，将有序的报文提交给上层；另外要注意的是当有数据需要发送的时候，seq会随该序列号为原点，对自己将要发送的每个字节的数据进行编号，比如当前seq = 10，本次要发送的数据包大小是200字节，那么实际发送的时候会更新seq=210，以便保证传输的数据的顺序；

  • 『Acknowledege Number』，即ACK确认号，用于对传输方 seq 的确认，一般设置为收到的最后一个 seq 或 seq+1，随着下一个数据包捎带发送出去；只有当标志位中的ACK标志位为1时该确认序列号的字段才有效，用来解决网络丢包问题；

  • 『Window』滑动窗口，win 可以理解为缓冲区域的大小，win 值越大，一次能够发送（无需等待 ACK 应答 ）的数据包就越大，win 值会随着数据吞吐速率变化而变化；

  • 『控制位』标志位，常见的有 SYN、ACK、FIN、RST 等；表明各种了下一步通信双方应该进行的动作；如 FIN 表明执行断开连接操作，SYN 表示开始连接操作并设置初始 seq 值 等；

建立连接『三次握手』

如图所示，对百度首页进行一次访问，用 wireshark 捕获的 TCP 包中的前三个完整表示了一次 TCP 协议建立连接的流程；

  1. 客户端向服务器发送建立连接请求包，将 SYN 标志位设置为 1，同时设置起始序号 seq=0，并附带滑动窗口大小（win），希望接受的数据包长度（len），能接受的最大包大小（mss）；可以简单表示为SYN(seq=0) mss，Maximum Segment Size： 除去头部后，一个网络包所能容纳的 最大 TCP 数据长度

  2. 服务器响应客户端请求，同意建立连接， 也将 SYN 标志位设置为 1、seq 设置为 0，并设置 ack 号为 1（即上一个接受到的 seq+1、以及滑动窗口等信息；表示为[SYN, ACK](seq=0, ack=1)

  3. 客户端收到目标回应，表明可以建立一次连接，并进行最后的回复确认； 同样设置 ack 号为 1，但 seq 号在之前的基础上+1，最后发送的包表示为ACK(seq=1， ack=1)

目的

『三次握手』的流程是为了尽可能确保一次连接的安全性和快捷性，如果不对请求进行回复确认，双方都不清楚对方是否收到自己的请求，数据的传输便会失去保障；而如果不是三次握手，而是四次五次，则建立连接的效率会变得低下，尤其是 HTTP1.0 协议还没有keep-alive请求头的情况下；

而 ack 确认号与 seq 序号的机制保证了传输的有序性，配合缓冲区能够有效地解决网络传输中的丢包问题；

中断连接——『四次挥手』

TCP 协议是全双工协议，双方可以同时收发数据，为了保证数据完整传输，双方都要对中断进行两次确认；中断过程可以由任意一方发起：

  1. 假设服务器方发起中断请求，首先要将控制位中的 FIN 设置为 1，附带最后的数据信息发送给客户端；表示为FIN(seq)，进入FIN_WAIT状态；

  2. 客户端收到 FIN=1，向服务器方发送 ack 号 进行确认，进入CLOSE_WAIT状态；并调用应用程序读取剩余的数据 / 准备发送剩余数据；

  3. 当数据读取完毕后，客户端也进入中断连接操作，和第一步一样向服务器发送FIN(seq)，进入LAST_WAIT状态；

  4. 一段时间后，服务器就会返回 ack 号进行最后的确认，进入TIME_WAIT状态，经过一段时间（2MSL，最大报文文段生存时间）后停止监听，中断连接过程结束；


图片来源

目的

四次挥手是因为数据传输的不同步，一方已经传送完数据了，但另一方还没有，于是先接受数据并回复，等到剩余数据准备好再发送 FIN，并等待 ACK 确认以保证双方数据都传输完毕；

至于最后的TIME_WAIT状态，是为了防止最后的 ACK 包丢失，导致对方重发 FIN 但无人回应，甚至中断其它正常套接字的情况；经过最大报文文段生存时间后，即认为对方已经收到了；

滑动窗口

最简单的一问一答形式（等到 ACK 回应后，再发送数据）叫做『单工停等协议』，这种同步方式虽然保证了数据传输的有序和完整，但效率实在低下；为了解决这个问题，TCP 协议采用了滑动窗口协议来管理数据发送和 ACK 号的操作。滑动窗口，即不用等待上一个包的 ACK 确认，就直接发送后续的一系列包；

窗口由16位bit所定义，所以接收端的 TCP 窗口能最大提供65535个字节的缓冲，滑动窗口主要就是做限流和缓冲用的；如图，可以看见有三个连续的 ack=518 的包被发送，而 seq 则是不断增大的，说明 A 向 B 连续发送了三个数据包，只要 B 的滑动窗口还有空间，就可以继续连续发送数据包；

B 在接收到突然的数据后可能来不及处理，便会发送对应的连续 ACK ，告知自己滑动窗口的变化， 当 B 处理完缓冲区的数据后，会向 A 发出一个WINDOW_UPDATE包，告知 A 自己的窗口大小已经增大；

当一方的滑动窗口大小接近于 0 时，另一方便会停止发送，直到接收到 WINDOW_UPDATE 包的通知；

参考

TCP 的那些事儿（上）

CATALOG
  1. 1. TCP协议中的『三次握手』与『四次挥手』
    1. 1.1. TCP/IP 参考模型
    2. 1.2. TCP 报文信息
    3. 1.3. 建立连接『三次握手』
      1. 1.3.1. 目的
    4. 1.4. 中断连接——『四次挥手』
      1. 1.4.1. 目的
    5. 1.5. 滑动窗口
    6. 1.6. 参考
Total : 21
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