TCPIP协议总结

一、TCP的三次握手
TCP连接的建立时,双方需要经过三次握手,而断开连接时,双方需要经过四次分手,那么,其三次握手和四次分手分别做了什么呢?又是如何进行的呢?
通常情况下,建立连接的双方,由一端打开一个监听套接字(ServerSocket)来监听来自请求方的TCP(Socket)连接,当服务器端监听开始时,必须做好准备接受外来的连接,在Java中该操作通过创建一个ServerSocket服务监听套接字实例来完成,此操作会调用底层操作系统(如Linux)的C代码中三个函数socket()、bind()、listen()
来完成。开始监听之后,服务器端就做好接受外来连接的准备,如果监听到建立新连接的请求,会开启一个传输套接字,称之为被动打开(Passive
Open)。
一段简单的服务端监听新连接请求,并且被动打开(Passive
Open)传输套接字的Java示例代码,具体如下:
在这里插入图片描述

客户端在发起连接建立时,Java代码通过创建Socket实例,调用底层的connect(…)方法,主动打开(Active
Open)Socket连接。套接字监听方在收到请求之后,监听方和发起方(客户端)之间就会建立一条的连接通道,该通道由双方IP和双方端口所唯一确定。
一段简单的客户端连接主动打开(Active Open)的Java示例代码,具体如下:
在这里插入图片描述

二、三次握手过程
TCP连接的建立时,双方需要经过三次握手,具体过程如下:
(1)第一次握手:Client进入SYN_SENT状态,发送一个SYN帧来主动打开传输通道,该帧的SYN标志位被设置为1,同时会带上Client分配好的SN序列号,该SN是根据时间产生的一个随机值,通常情况下每间隔4ms会加1。除此之外,SYN帧还会带一个MSS(最大报文段长度)可选项的值,表示客户端发送出去的最大数据块的长度。
(2)第二次握手:Server端在收到SYN帧之后,会进入SYN_RCVD状态,同时返回SYN+ACK帧给Client,主要目的在于通知Client,Server端已经收到SYN消息,现在需要进行确认。Server端发出的SYN+ACK帧的ACK标志位被设置为1,其确认序号AN(Acknowledgment
Number)值被设置为Client的SN+1;SYN+ACK帧的SYN标志位被设置为1,SN值为Server端生成的SN序号;SYN+ACK帧的MSS(最大报文段长度)表示的是Server端的最大数据块长度。
(3)第三次握手:Client在收到Server的第二次握手SYN+ACK确认帧之后,首先将自己的状态会从SYN_SENT变成ESTABLISHED,表示自己方向的连接通道已经建立成功,Client可以发送数据给Server端了。然后,Client发ACK帧给Server端,该ACK帧的ACK标志位被设置为1,其确认序号AN(Acknowledgment
Number)值被设置为Server端的SN序列号+1。还有一种情况,Client可能会将ACK帧和第一帧要发送的数据,合并到一起发送给Server端。
(4)Server端在收到Client的ACK帧之后,会从SYN_RCVD状态会进入ESTABLISHED状态,至此,Server方向的通道连接建立成功,Server可以发送数据给Client,TCP的全双工连接建立完成。
三、三次握手的图解
三次握手的交互过程,具体如下图所示:
在这里插入图片描述

TCP建立的连接时三次握手示意图
Client和Server完成了三次握手后,双方就进入了数据传输的阶段。数据传输完成后,连接将断开,连接断开的过程需要经历四次挥手。
四、TCP的四次挥手
业务数据通信完成之后,TCP连接开始断开(或者拆接)的过程,在这个过程中连接的每个端的都能独立地、主动的发起,断开的过程TCP协议使用了四路挥手操作。
五、四次挥手具体过程
四次挥手具体过程,具体如下:
(1)第一次挥手:主动断开方(可以是客户端,也可以是服务器端),向对方发送一个FIN结束请求报文,此报文的FIN位被设置为1,并且正确设置Sequence
Number(序列号)和Acknowledgment
Number(确认号)。发送完成后,主动断开方进入FIN_WAIT_1状态,这表示主动断开方没有业务数据要发送给对方,准备关闭SOCKET连接了。
(2)第二次挥手:正常情况下,在收到了主动断开方发送的FIN断开请求报文后,被动断开方会发送一个ACK响应报文,报文的Acknowledgment
Number(确认号)值为断开请求报文的Sequence Number
(序列号)加1,该ACK确认报文的含义是:“我同意你的连接断开请求”。之后,被动断开方就进入了CLOSE-WAIT(关闭等待)状态,TCP协议服务会通知高层的应用进程,对方向本地方向的连接已经关闭,对方已经没有数据要发送了,若本地还要发送数据给对方,对方依然会接受。被动断开方的CLOSE-WAIT(关闭等待)还要持续一段时间,也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
主动断开方在收到了ACK报文后,由FIN_WAIT_1转换成FIN_WAIT_2状态。
(3)第三次挥手:在发送完成ACK报文后,被动断开方还可以继续完成业务数据的发送,待剩余数据发送完成后,或者CLOSE-WAIT(关闭等待)截止后,被动断开方会向主动断开方发送一个FIN+ACK结束响应报文,表示被动断开方的数据都发送完了,然后,被动断开方进入LAST_ACK状态。
(4)第四次挥手:主动断开方收在到FIN+ACK断开响应报文后,还需要进行最后的确认,向被动断开方发送一个ACK确认报文,然后,自己就进入TIME_WAIT状态,等待超时后最终关闭连接。处于TIME_WAIT状态的主动断开方,在等待完成2MSL的时间后,如果期间没有收到其他报文,则证明对方已正常关闭,主动断开方的连接最终关闭。
被动断开方在收到主动断开方的最后的ACK报文以后,最终关闭了连接,自己啥也不管了。
六、四次挥手图解
四次挥手的全部交互过程,具体如下图所示:
在这里插入图片描述

图:TCP建立的连接时四次挥手的示意图
处于TIME_WAIT状态的主动断开方,在等待完成2MSL的时间后,才真正关闭连接通道,其等待的时间为什么是2MSL呢?
2MSL翻译过来就是两倍的MSL。MSL全称为Maximum Segment
Lifetime,指的是一个TCP报文片段在网络中最大的存活时间,具体来说,2MSL对应于一次消息的来回(一个发送和一个回复)所需的最大时间。如果直到2MSL,主动断开方都没有再一次收到对方的报文(如FIN报文),则可以推断ACK已经被对方成功接收,此时,主动断开方将最终结束自己的TCP连接。所以,TCP的TIME_WAIT状态也称为2MSL等待状态。
有关MSL的具体的时间长度,在RFC1122协议中推荐为2分钟。在SICS(瑞典计算机科学院)开发的一个小型开源的TCP/IP协议栈——LwIP开源协议栈中MSL默认为1分钟。在源自Berkeley的TCP协议栈实现中MSL默认长度为30秒。总体来说,TIME_WAIT(2MSL)等待状态的时间长度,一般维持在1-4分钟之间。
通过三次握手建立连接和四次挥手拆除连接,一次TCP的连接建立及拆除,至少进行7次通信,可见其成本是很高的。
七、三次握手、四次挥手的常见面试题
有关TCP的连接建立的三次握手及拆除过程的四次挥手的面试问题,是技术面试过程中的出现频率很高的重点和难点问题,常见问题大致如下:
问题(1):为什么关闭连接的需要四次挥手,而建立连接却只要三次握手呢?
关闭连接时,被动断开方在收到对方的FIN结束请求报文时,很可能业务数据没有发送完成,并不能立即关闭连接,被动方只能先回复一个ACK响应报文,告诉主动断开方:“你发的FIN报文我收到了,只有等到我所有的业务报文都发送完了,我才能真正的结束,在结束之前,我会发你FIN+ACK报文的,你先等着”。所以,被动断开方的确认报文,需要拆开成为两步,故总体就需要四步挥手。
而在建立连接场景中,Server端的应答可以稍微简单一些。当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后,其中ACK报文表示对请求报文的应答,SYN报文用来表示服务端的连接也已经同步开启了,而ACK报文和SYN报文之间,不会有其他报文需要发送,故而可以合二为一,可以直接发送一个SYN+ACK报文。所以,在建立连接时,只需要三次握手即可。
问题(2):为什么连接建立的时候是三次握手,可以改成两次握手吗?
三次握手完成两个重要的功能:一是双方都做好发送数据的准备工作,而且双方都知道对方已准备好;二是双方完成初始SN序列号的协商,双方的SN序列号在握手过程中被发送和确认。
如果把三次握手改成两次握手,可能发生死锁。两次握手的话,缺失了Client的二次确认ACK帧,假想的TCP建立的连接时二次挥手,可以如下图所示:

图:假想的TCP建立的连接时二次握手的示意图
在假想的TCP建立的连接时二次握手过程中,Client发送Server发送一个SYN请求帧,Server收到后发送了确认应答SYN+ACK帧。按照两次握手的协定,Server认为连接已经成功地建立了,可以开始发送数据帧。这个过程中,如果确认应答SYN+ACK帧在传输中被丢失,Client没有收到,Client将不知道Server是否已准备好,也不知道Server的SN序列号,Client认为连接还未建立成功,将忽略Server发来的任何数据分组,会一直等待Server的SYN+ACK确认应答帧。而Server在发出的数据帧后,一直没有收到对应的ACK确认后就会产生超时,重复发送同样的数据帧。这样就形成了死锁。
问题(3):为什么主动断开方在TIME-WAIT状态必须等待2MSL的时间?
原因之一:主动断开方等待2MSL的时间,是为了确保两端都能最终关闭。假设网络是不可靠的,被动断开方发送FIN+ACK报文后,其主动方的ACK响应报文有可能丢失,这时候的被动断开方处于LAST-ACK状态的,由于收不到ACK确认被动方一直不能正常的进入CLOSED状态。在这种场景下,被动断开方会超时重传FIN+ACK断开响应报文,如果主动断开方在2MSL时间内,收到这个重传的FIN+ACK报文,会重传一次ACK报文,后再一次重新启动2MSL计时等待,这样,就能确保被动断开方能收到ACK报文,从而能确保被动方顺利进入到CLOSED状态。只有这样,双方都能够确保关闭。反过来说,如果主动断开方在发送完ACK响应报文后,不是进入TIME_WAIT状态去等待2MSL时间,而是立即释放连接,则将无法收到被动方重传的FIN+ACK报文,所以不会再发送一次ACK确认报文,此时处于LAST-ACK状态的被动断开方,无法正常进入到CLOSED状态。
原因之二:防止“旧连接的已失效的数据报文”出现在新连接中。主动断开方在发送完最后一个ACK报文后,再经过2MSL,才能最终关闭和释放端口,这就意味着,相同端口的新TCP新连接,需要在2MSL的时间之后,才能够正常的建立。2MSL这段时间内,旧连接所产生的所有数据报文,都已经从网络中消失了,从而,确保了下一个新的连接中不会出现这种旧连接请求报文。
问题(4):如果已经建立了连接,但是Client端突然出现故障了怎么办?
TCP还设有一个保活计时器,Client端如果出现故障,Server端不能一直等下去,这样会浪费系统资源。每收到一次Client客户端的数据帧后,Server端都的保活计时器会复位。计时器的超时时间通常是设置为2小时,若2小时还没有收到Client端的任何数据帧,Server端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,Server端就认为Client端出了故障,接着就关闭连接。如果觉得保活计时器的两个多小时的间隔太长,可以自行调整TCP连接的保活参数。

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