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  • TCP的状态 (SYN, FIN, ACK, PSH, RST, URG)

    一、TCP的状态

      在TCP层,有个FLAGS字段,这个字段有以下几个标识:SYN, FIN, ACK, PSH, RST, URG。其中,对于我们日常的分析有用的就是前面的五个字段。

    它们的含义是:

    • SYN表示建立连接,
    • FIN表示关闭连接,
    • ACK表示响应,
    • PSH表示有 DATA数据传输,
    • RST表示连接重置。

      其中,ACK是可能与SYN,FIN等同时使用的,比如SYN和ACK可能同时为1,它表示的就是建立连接之后的响应,如果只是单个的一个SYN,它表示的只是建立连接,TCP的几次握手就是通过这样的ACK表现出来的。但SYN与FIN是不会同时为1的,因为前者表示的是建立连接,而后者表示的是断开连接。RST一般是在FIN之后才会出现为1的情况,表示的是连接重置。

      一般地,当出现FIN包或RST包时,我们便认为客户端与服务器端断开了连接;而当出现SYN和SYN+ACK包时,我们认为客户端与服务器建立了一个连接。PSH为1的情况,一般只出现在 DATA内容不为0的包中,也就是说PSH为1表示的是有真正的TCP数据包内容被传递。

      TCP的连接建立和连接关闭,都是通过请求-响应的模式完成的。

     二、TCP三次握手

      TCP(Transmission Control Protocol)传输控制协议,是主机对主机层的传输控制协议,提供可靠的连接服务,采用三次握手确认建立一个连接。

      位码,即tcp标志位,有6种标示:SYN(synchronous 建立联机)、ACK(acknowledgement 确认)、PSH(push 传送)、FIN(finish 结束)、RST(reset 重置)、URG(urgent 紧急)、Sequence number(顺序号码)、Acknowledge number(确认号码)。、

    (1)第一次握手:主机A发送位码为syn=1,随机产生seq number=1234567的数据包到服务器,主机B由SYN=1知道,A要求建立联机;

    (2)第二次握手:主机B收到请求后要确认联机信息,向A发送ack number=(主机A的seq+1),syn=1,ack=1,随机产生seq=7654321的包;

    (3)第三次握手:主机A收到后检查ack number是否正确,即第一次发送的seq number+1,以及位码ack是否为1,若正确,主机A会再发送ack number=(主机B的seq+1),ack=1,主机B收到后确认seq值与ack=1则连接建立成功。

    完成三次握手,主机A与主机B开始传送数据。

      在TCP/IP协议中,TCP协议提供可靠的连接服务,采用三次握手建立一个连接。  第一次握手:建立连接时,客户端发送syn包(syn=j)到服务器,并进入SYN_SEND状态,等待服务器确认;  第二次握手:服务器收到syn包,必须确认客户的SYN(ack=j+1),同时自己也发送一个SYN包(syn=k),即SYN+ACK包,此时服务器进入SYN_RECV状态;第三次握手:客户端收到服务器的SYN+ACK包,向服务器发送确认包ACK(ack=k+1),此包发送完毕,客户端和服务器进入ESTABLISHED状态,完成三次握手。

    三、四次挥手

      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:

      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。

    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。

    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?

    原因有二:
    一、保证TCP协议的全双工连接能够可靠关闭
    二、保证这次连接的重复数据段从网络中消失

    先说第一点,如果Client直接CLOSED了,那么由于IP协议的不可靠性或者是其它网络原因,导致Server没有收到Client最后回复的ACK。那么Server就会在超时之后继续发送FIN,此时由于Client已经CLOSED了,就找不到与重发的FIN对应的连接,最后Server就会收到RST而不是ACK,Server就会以为是连接错误把问题报告给高层。这样的情况虽然不会造成数据丢失,但是却导致TCP协议不符合可靠连接的要求。所以,Client不是直接进入CLOSED,而是要保持TIME_WAIT,当再次收到FIN的时候,能够保证对方收到ACK,最后正确的关闭连接。

    再说第二点,如果Client直接CLOSED,然后又再向Server发起一个新连接,我们不能保证这个新连接与刚关闭的连接的端口号是不同的。也就是说有可能新连接和老连接的端口号是相同的。一般来说不会发生什么问题,但是还是有特殊情况出现:假设新连接和已经关闭的老连接端口号是一样的,如果前一次连接的某些数据仍然滞留在网络中,这些延迟数据在建立新连接之后才到达Server,由于新连接和老连接的端口号是一样的,又因为TCP协议判断不同连接的依据是socket pair,于是,TCP协议就认为那个延迟的数据是属于新连接的,这样就和真正的新连接的数据包发生混淆了。所以TCP连接还要在TIME_WAIT状态等待2倍MSL,这样可以保证本次连接的所有数据都从网络中消失。

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