TCP建立连接和断开连接图解

2018年7月31日 4点热度 0条评论 来源: 猴子居士

TCP建立连接和断开连接图解

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一、TCP报文简介

TCP报文格式
TCP/IP协议的详细信息参看《TCP/IP协议详解》三卷本。下面是TCP报文格式图:

图1 TCP报文格式
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。 (大写ACK表示报文中的一个标志位)

二、TCP建立过程(三次握手)

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。

(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。

注意:三次握手的序列号和确认号,如果用(序列号,确认号)表示一次握手,则三次握手的过程序列号和确认号如下:

1) 第1步:客户端向服务器发送一个同步数据包请求建立连接,该数据包中,初始序列号(ISN)是客户端随机产生的一个值,确认号是0;
2) 第2步:服务器收到这个同步请求数据包后,会对客户端进行一个同步确认。这个数据包中,序列号(ISN)是服务器随机产生的一个值,确认号是客户端的初始序列号+1;
3) 第3步:客户端收到这个同步确认数据包后,再对服务器进行一个确认。该数据包中,序列号是上一个同步请求数据包中的确认号值,确认号是服务器的初始序列号+1。

1、(X,0)

2、(Y,X+1)

3、(X+1,Y+1)

三、TCP断开连接过程(四次挥手)

【注意】中断连接端可以是Client端,也可以是Server端。

假设Client端发起中断连接请求,也就是发送FIN报文。Server端接到FIN报文后,意思是说”我Client端没有数据要发给你了”,但是如果你还有数据没有发送完成,则不必急着关闭Socket,可以继续发送数据。所以你先发送ACK,”告诉Client端,你的请求我收到了,但是我还没准备好,请继续你等我的消息”。这个时候Client端就进入FIN_WAIT状态,继续等待Server端的FIN报文。当Server端确定数据已发送完成,则向Client端发送FIN报文,”告诉Client端,好了,我这边数据发完了,准备好关闭连接了”。Client端收到FIN报文后,”就知道可以关闭连接了,但是他还是不相信网络,怕Server端不知道要关闭,所以发送ACK后进入TIME_WAIT状态,如果Server端没有收到ACK则可以重传。“,Server端收到ACK后,”就知道可以断开连接了”。Client端等待了2MSL后依然没有收到回复,则证明Server端已正常关闭,那好,我Client端也可以关闭连接了。Ok,TCP连接就这样关闭了!

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。
(1)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。
(2)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。
(3)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。
(4)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。

四次挥手的序列号和确认号

(u,0)

(v,u+1)

(w,u+1)

(u+1,w+1)

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:

【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。

为什么是2MSL,主要是为了考虑到如果最后一个ACK丢失,服务端会重新发FIN,客户端等待2MSL,才能接收到服务端重新发送的FIN报文。

【问题3】RST的作用

RST表示复位,用来异常的关闭连接,在TCP的设计中它是不可或缺的。就像上面说的一样,发送RST包关闭连接时,不必等缓冲区的包都发出去(不像上面的FIN包),直接就丢弃缓存区的包发送RST包。而接收端收到RST包后,也不必发送ACK包来确认。

TCP处理程序会在自己认为的异常时刻发送RST包。例如,A向B发起连接,但B之上并未监听相应的端口,这时B操作系统上的TCP处理程序会发RST包。

又比如,AB正常建立连接了,正在通讯时,A向B发送了FIN包要求关连接,B发送ACK后,网断了,A通过若干原因放弃了这个连接(例如进程重启)。网通了后,B又开始发数据包,A收到后表示压力很大,不知道这野连接哪来的,就发了个RST包强制把连接关了,B收到后会出现connect reset by peer错误。

【问题4】当URG=1时

紧急比特URG——当URG=1时,表明紧急指针字段有效。它告诉系统此报文段中有紧急数据,应尽快传送(相当于高优先级的数据)。

    原文作者:猴子居士
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