TCP连接建立与断开

七层协议

其中TCP处理transport层,主要是用来建立可靠的连接。 而建立连接的基础,是他丰富的报文内容(md~超级多).我们先来解释一下。 首先,我们TCP3次握手用的报文就是绿色的"TCP Flags"内容。 通过发送ACK,SYN包实现。具体涉及的Tag详见:

  • Source Port / Destination Port:这个就是客户端口(源端口)和服务器端口(目的端口). 端口就是用来区别主机中的不同进程,通过结合源IP和目的IP结合,得出唯一的TCP连接。
  • Sequence Number(seqNumber): 一般由 客户端发送,用来表示报文段中第一个数据字节在数据流中的序号,主要用来解决网络包乱序的问题。
  • Acknowledgment Number(ACK): 即就是用来存放客户端发来的seqNumber的下一个信号(seqNumber+1). 只有当 TCP flags中的ACK为1时才有效. 主要是用来解决不丢包的问题。
  • TCP flags: TCP中有6个首部,用来控制TCP连接的状态.取值为0,1.这6个有:URG,ACK,PSH,RST,SYN,FIN.
    • URG 当为1时,用来保证TCP连接不被中断, 并且将该次TCP内容数据的紧急程度提升(就是告诉电脑,你丫赶快把这个给resolve了)
    • ACK 通常是服务器端返回的。 用来表示应答是否有效。 1为有效,0为无效
    • PSH 表示,当数据包得到后,立马给应用程序使用(PUSH到最顶端)
    • RST 用来确保TCP连接的安全。 该flag用来表示 一个连接复位的请求。 如果发生错误连接,则reset一次,重新连。当然也可以用来拒绝非法数据包。
    • SYN 同步的意思,通常是由客户端发送,用来建立连接的。第一次握手时: SYN:1 , ACK:0. 第二次握手时: SYN:1 ACK:1
    • FIN 用来表示是否结束该次TCP连接。 通常当你的数据发送完后,会自动带上FIN 然后断开连接

TCP 3次握手

网络传输示意图
  • 第一次握手. 客户端向服务器发送一个SYN包,并且添加上seqNumber(假设为x),然后进入SYN_SEND状态,并且等待服务器的确认。
  • 第二次握手: 服务器接受SYN包,并且进行确认,如果该请求有效,则将TCP flags中的ACK 标志位置1, 然后将AckNumber置为(seqNumber+1),并且再添加上自己的seqNumber(y), 完成后,返回给客户端.服务器进入SYN_RECV状态.(这里服务端是发送SYN+ACK包)
  • 第三次握手 客户端接受ACK+SYN报文后,获取到服务器发送AckNumber(y), 并且 将新头部的AckNumber变为(y+1).然后发送给服务器,完成TCP3次连接。此时服务器和客户端都进入ESTABLISHED状态.

假如是2次的话, 可能会出现这样一个情况。

  • 当客户端发送一次请求A后,但是A在网络延迟了很久, 接着客户端又发送了一次B,但是此时A已经无效了。 接着服务器相应了B,并返回TCP连接头,建立连接(这里就2次哈)。 然后,A 历经千山万水终于到服务器了, 服务器一看有请求来了,则接受,由于一开始A带着的TCP格式都是正确的,那么服务器,理所应当的也返回成功连接的flag,但是,此时客户端已经判断该次请求无效,废弃了。 然后服务器,就这么一直挂着(浪费资源),造成的一个问题是,md, 这个锅是谁的? 所以,为了保险起见,再补充一次连接就可以了。所以3次是最合适的。在Chinese中,以3为起称为多,如果你用4,5,6,7,8...次的话,这不更浪费吗?

TCP4次挥手

四次挥手
  • 第一次挥手: A机感觉此时如果keep-alive比较浪费资源,则他提出了分手的请求。设置SeqNumber和AckNumber之后,向B机发送FIN包, 表示我这已经没有数据给你了。然后A机进入FIN_WAIT_1状态
  • 第二次挥手:B机收到了A机的FIN包,已经知道了A机没有数据再发送了。此时B机会给A机发送一个ACK包,并且将AckNumber 变为 A机传输来的SeqNumber+1. 当A机接受到之后,则变为FIN_WAIT_2状态。表示已经得到B机的许可,可以进行关闭操作。不过此时,B机还是可以向A机发送请求的。
  • 第三次挥手 B机向A机发送FIN包,请求关闭,相当于告诉A机,我这里也没有你要的数据了。然后B机进入CLOSE_WAIT状态.(这里还需要带上SeqNumber,大家看图说话就可以了)
  • 第四次挥手 A机接收到B机的FIN包之后,然后同样,发送一个ACK包给B机。 B机接受到之后,就断开了。 而A机 会等待2MSL之后,如果没有回复,确保服务器端确实是关闭了。然后A机也可以关闭连接。A,B都进入了CLOSE状态.

2MSL=2*MSL. 而MSL其实就是Maximum Segment Lifetime,中文意思就是报文最大生存时间。RFC 793中规定MSL为2分钟,实际应用中常用的是30秒,1分钟和2分钟等。 同样上面的TIME_WAT状态其实也就是2MSL状态。 如果超过改时间,则会将该报文废弃,然后直接进入CLOSED状态.

常见瓶颈
TCP网络应用出问题,十有八九是以下两种情况:

  • 主动关闭连接方出现大量TIME_WAIT状态。

  • 被动关闭连接方出现大量CLOSE_WAIT状态

  • 主动关闭方在关闭连接后,需要发送ACK,假设ACK丢失了,被动关闭一方会重发它的FIN。主动关闭方必须维持一个有效状态信息(TIMEWAIT状态下维持),以便能够重发ACK。如果主动关闭的socket不维持这种状态而进入CLOSED状态,那么主动关闭的socket在处于CLOSED状态时,接收到FIN后将会响应一个RST。被动关闭一方接收到RST后会认为出错了。这就是为什么socket在关闭后,仍然处于TIME_WAIT状态的第一个原因,因为它要等待以便重发ACK。第二个原因是确保连接复用时没有残存的数据。TCP不允许新连接复用TIME_WAIT状态下的socket。处于TIME_WAIT状态的socket在等待两倍的MSL时间以后,将会转变为CLOSED状态,此时通道内不会存在残存数据。
    应用程序无法解决TIME_WAIT问题,我想了一个甩锅的办法是让客户端断开连接,因为谁主动断开谁面临TIMEWAIT。

  • CLOSE_WAIT需要重点关注。被动关闭方在发送ACK以后会处于CLOSE_WAIT状态,此时只要调用close方法就会发送FIN包,脱离CLOSE_WAIT状态。

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