【开发笔记】【5】TCP三次握手与四次挥手

本文最后更新于：2021年12月22日 上午

【开发笔记】系列目录

目录

一、TCP报文

二、三次握手

  1.流程

  2.为什么要进行三次握手

三、四次挥手

  1.流程

  2.为什么要进行四次挥手

四、问题

  【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？

  【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？

  【问题3】为什么不能用两次握手进行连接？

  【问题4】如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？

一、TCP报文

TCP的报文样式

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控制位（Control Flag）标记着握手阶段的各个状态

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三次握手和四次握手示意图
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二、三次握手

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1.流程

  • （1）第一次握手：
    Client将标志位SYN置为1（表示要发起一个连接），随机产生一个值seq=x，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=x+1，随机产生一个值seq=y，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x+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=y+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为y+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。

2.为什么要进行三次握手

  • （1）、确保收发双方收发正常；
  • （2）、防止失效的请求再次传到服务端，造成错误；

    失效的连接请求：
    主机A发出的连接请求没有收到主机B的确认，过一段时间后，主机A又向主机B发送连接请求，且建立成功，顺序完成数据传输。
    主机A发送的请求因网络延迟无法到达主机B(并没有丢失)，主机B以为是主机A又发起的新请求，于是主机B同意连接，并向主机A发回确认，但此时主机A根本不理会，导致主机B的资源浪费。
  • （3）、防攻击

    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攻击是一种典型的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

    三、四次挥手

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1.流程

  • （1）第一次挥手：
    Client发送一个FIN=1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），seq = x，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=1后，发送一个ACK=1，ack=x+1给Client，Server进入CLOSE_WAIT状态；
  • （3）第三次挥手：
    Server发送一个FIN=1，seq = y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=1后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK=1，ack = y+1给Server，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。

2.为什么要进行四次挥手

防止一段数据未发送完：
断开连接时，一方收到FIN包，另一方有数据未发送完，此时就需要先向对端回复FIN包的ACK。将剩下的数据发送完后，再像对方发送FIN,断开连接。

四、问题

【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。在Client发送出最后的ACK回复，但该ACK可能丢失。Server如果没有收到ACK，将不断重复发送FIN片段。所以Client不能立即关闭，它必须确认Server接收到了该ACK。Client会在发送出ACK之后进入到TIME_WAIT状态。Client会设置一个计时器，等待2MSL的时间。如果在该时间内再次收到FIN，那么Client会重发ACK并再次等待2MSL。所谓的2MSL是两倍的MSL(Maximum Segment Lifetime)。MSL指一个片段在网络中最大的存活时间，2MSL就是一个发送和一个回复所需的最大时间。如果直到2MSL，Client都没有再次收到FIN，那么Client推断ACK已经被成功接收，则结束TCP连接。

【问题3】为什么不能用两次握手进行连接？

答：3次握手完成两个重要的功能，既要双方做好发送数据的准备工作(双方都知道彼此已准备好)，也要允许双方就初始序列号进行协商，这个序列号在握手过程中被发送和确认。

       现在把三次握手改成仅需要两次握手，死锁是可能发生的。作为例子，考虑计算机S和C之间的通信，假定C给S发送一个连接请求分组，S收到了这个分组，并发 送了确认应答分组。按照两次握手的协定，S认为连接已经成功地建立了，可以开始发送数据分组。可是，C在S的应答分组在传输中被丢失的情况下，将不知道S 是否已准备好，不知道S建立什么样的序列号，C甚至怀疑S是否收到自己的连接请求分组。在这种情况下，C认为连接还未建立成功，将忽略S发来的任何数据分 组，只等待连接确认应答分组。而S在发出的分组超时后，重复发送同样的分组。这样就形成了死锁。

【问题4】如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？

TCP还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秒钟发送一次。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。

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