简析TCP的三次握手与四次分手<转>

TCP是什么？

具体的关于TCP是什么，我不打算详细的说了；当你看到这篇文章时，我想你也知道TCP的概念了，想要更深入的了解TCP的工作，我们就继续。它只是一个超级麻烦的协议，而它又是互联网的基础，也是每个程序员必备的基本功。首先来看看OSI的七层模型：我们需要知道TCP工作在网络OSI的七层模型中的第四层——Transport层，IP在第三层——Network层，ARP在第二层——Data Link层；在第二层上的数据，我们把它叫Frame，在第三层上的数据叫Packet，第四层的数据叫Segment。 同时，我们需要简单的知道，数据从应用层发下来，会在每一层都会加上头部信息，进行封装，然后再发送到数据接收端。这个基本的流程你需要知道，就是每个数据都会经过数据的封装和解封装的过程。 在OSI七层模型中，每一层的作用和对应的协议如下：TCP是一个协议，那这个协议是如何定义的，它的数据格式是什么样子的呢？要进行更深层次的剖析，就需要了解，甚至是熟记TCP协议中每个字段的含义。哦，来吧。上面就是TCP协议头部的格式，由于它太重要了，是理解其它内容的基础，下面就将每个字段的信息都详细的说明一下。

• Source Port和Destination Port:分别占用16位，表示源端口号和目的端口号；用于区别主机中的不同进程，而IP地址是用来区分不同的主机的，源端口号和目的端口号配合上IP首部中的源IP地址和目的IP地址就能唯一的确定一个TCP连接；
• Sequence Number:用来标识从TCP发端向TCP收端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的的第一个数据字节在数据流中的序号；主要用来解决网络报乱序的问题；
• Acknowledgment Number:32位确认序列号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号，因此，确认序号应当是上次已成功收到数据字节序号加1。不过，只有当标志位中的ACK标志（下面介绍）为1时该确认序列号的字段才有效。主要用来解决不丢包的问题；
• Offset:给出首部中32 bit字的数目，需要这个值是因为任选字段的长度是可变的。这个字段占4bit（最多能表示15个32bit的的字，即4*15=60个字节的首部长度），因此TCP最多有60字节的首部。然而，没有任选字段，正常的长度是20字节；
• TCP Flags:TCP首部中有6个标志比特，它们中的多个可同时被设置为1，主要是用于操控TCP的状态机的，依次为ACK，RST，FIN。每个标志位的意思如下：
  • URG：此标志表示TCP包的紧急指针域（后面马上就要说到）有效，用来保证TCP连接不被中断，并且督促中间层设备要尽快处理这些数据；
  • ACK：此标志表示应答域有效，就是说前面所说的TCP应答号将会包含在TCP数据包中；有两个取值：0和1，为1的时候表示应答域有效，反之为0；
  • PSH：这个标志位表示Push操作。所谓Push操作就是指在数据包到达接收端以后，立即传送给应用程序，而不是在缓冲区中排队；
  • RST：这个标志表示连接复位请求。用来复位那些产生错误的连接，也被用来拒绝错误和非法的数据包；
  • SYN：表示同步序号，用来建立连接。ACK标志位搭配使用，当连接请求的时候，ACK=0；连接被响应的时候，ACK=1；这个标志的数据包经常被用来进行端口扫描。扫描者发送一个只有FIN标志位的TCP数据包后，连接将被断开。这个标志的数据包也经常被用于进行端口扫描。
• Window:窗口大小，也就是有名的滑动窗口，用来进行流量控制；这是一个复杂的问题，这篇博文中并不会进行总结的；

好了，基本知识都已经准备好了，开始下一段的征程吧。

三次握手又是什么？

TCP是面向连接的，无论哪一方向另一方发送数据之前，都必须先在双方之间建立一条连接。在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接服务，连接是通过三次握手进行初始化的。三次握手的目的是同步连接双方的序列号和确认号并交换 TCP窗口大小信息。这就是面试中经常会被问到的TCP三次握手。只是了解TCP三次握手的概念，对你获得一份工作是没有任何帮助的，你需要去了解TCP三次握手中的一些细节。先来看图说话。多么清晰的一张图，当然了，也不是我画的，我也只是引用过来说明问题了。

1. 第一次握手：建立连接。客户端发送连接请求报文段，将Sequence Number为x；然后，客户端进入SYN报文段。服务器收到客户端的SYN报文段进行确认，设置Sequence Number+1)；同时，自己自己还要发送SYN位置为1，SYN+ACK报文段）中，一并发送给客户端，此时服务器进入SYN+ACK报文段。然后将ACK报文段，这个报文段发送完毕以后，客户端和服务器端都进入 完成了三次握手，客户端和服务器端就可以开始传送数据。以上就是TCP三次握手的总体介绍。


   那四次分手呢？

   当客户端和服务器通过三次握手建立了TCP连接以后，当数据传送完毕，肯定是要断开TCP连接的啊。那对于TCP的断开连接，这里就有了神秘的“四次分手”。

   1. 第一次分手：主机1（可以使客户端，也可以是服务器端），设置Acknowledgment Number，向主机2发送一个FIN_WAIT_1状态；这表示主机1没有数据要发送给主机2了；
   2. 第二次分手：主机2收到了主机1发送的ACK报文段，Sequence Number加1；主机1进入FIN报文段，请求关闭连接，同时主机2进入FIN报文段，向主机2发送TIME_WAIT状态；主机2收到主机1的 至此，TCP的四次分手就这么愉快的完成了。当你看到这里，你的脑子里会有很多的疑问，很多的不懂，感觉很凌乱；没事，我们继续总结。


      为什么要三次握手

      既然总结了TCP的三次握手，那为什么非要三次呢？怎么觉得两次就可以完成了。那TCP为什么非要进行三次连接呢？在谢希仁的《计算机网络》中是这样说的：
      

      为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端，因而产生错误。

       

      在书中同时举了一个例子，如下：
      

      “已失效的连接请求报文段”的产生在这样一种情况下：client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某个网络结点长时间的滞留了，以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。本来这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。于是就向client发出确认报文段，同意建立连接。假设不采用“三次握手”，那么只要server发出确认，新的连接就建立了。由于现在client并没有发出建立连接的请求，因此不会理睬server的确认，也不会向server发送数据。但server却以为新的运输连接已经建立，并一直等待client发来数据。这样，server的很多资源就白白浪费掉了。采用“三次握手”的办法可以防止上述现象发生。例如刚才那种情况，client不会向server的确认发出确认。server由于收不到确认，就知道client并没有要求建立连接。”

       

      这就很明白了，防止了服务器端的一直等待而浪费资源。

      根本目的在于建立的连接让双方都知道已经建立了，两次的话如果第一次的client的请求被耽搁了很久，client超时之后知道上一次没建立成功。可是这时候建立连接的请求到达了server，那么server会在发出确认后建立连接。server端会占用资源，而真正的连接并没有建立成功。引入三次握手之后，同样的场景，server不会在发出确认后就建立连接，而是要等待client的ack确认，但是由于client发送的请求超时了，client认为不会建立了，即使收到了server的建立成功确认，client也不会响应而直接抛弃，那么server等待超时之后也就放弃了本次连接。
      

      为什么要四次分手

      那四次分手又是为何呢？TCP协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的运输层通信协议。TCP是全双工模式，这就意味着，当主机1发出ACK报文段时，表示它已经知道主机1没有数据发送了，但是主机2还是可以发送数据到主机1的；当主机2也发送了

   3. FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_1状态实际上是当SOCKET在ESTABLISHED状态时，它想主动关闭连接，向对方发送了FIN_WAIT_1状态。而当对方回应ACK报文后，则进入到FIN_WAIT_1状态一般是比较难见到的，而FIN_WAIT_2：上面已经详细解释了这种状态，实际上CLOSE_WAIT：这种状态的含义其实是表示在等待关闭。怎么理解呢？当对方close一个SOCKET后发送CLOSE_WAIT状态。接下来呢，实际上你真正需要考虑的事情是察看你是否还有数据发送给对方，如果没有的话，那么你也就可以 close这个SOCKET，发送CLOSE_WAIT状态下，需要完成的事情是等待你去关闭连接。（被动方）
   4. FIN报文后，最后等待对方的ACK报文。当收到ACK报文后，也即可以进入到CLOSED可用状态了。（被动方）
   5. TIME_WAIT状态，而无须经过CLOSED: 表示连接中断。

   我想你应该懂了

   总结到这里，也该结束了，但是对于TCP的学习远还没有结束。TCP是一个非常复杂的协议，这里稍微总结了一下TCP的连接与断开连接是发生的事情，其中还有很多的“坑”，让我们后续有时间再继续填吧。好了，完毕！