TCP 三次握手和四次挥手以及11种状态

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置位概念:根据 TCP 的包头字段,存在几个重要的字段

  • seq(Sequence Number 序号/序列号):seq 序号随机生成
  • ack(Acknowledgement number 确认号):ack 序号
  • URG:紧急指针有效
  • ACK:验证 ack 确认号有效(为了与确认号 ack 区分开,我们用大写表示)
  • PSH:接收方应该尽快将这个报文交给应用层
  • RST:重置连接
  • SYN(同步序列编号):位数置 1,表示建立 TCP 连接
  • FIN:位数置 1,表示断开 TCP 连接
1、三次握手(three-way handshake)
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三次握手过程说明
  • 1、由客户端发送建立 TCP 连接请求的 SYN 报文,其中报文中包含 seq 序列号,并且将报文中的 SYN 字段置为 1,表示需要建立 TCP 连接。(SYN=1,seq=x,x 为客户端随机生成)
  • 2、由服务端回复客户端发送的 TCP 连接请求,并发送 SYN 报文ACK 报文,其中包含 seq 序列号,并且将 SYN 置为 1,而且会产生 ack 字段,ack 字段数值是在客户端发送过来的 seq 序列号的基础上加 1 进行回复。(SYN=1,seq=y,ack=x+1,y 为服务端随机生成)
  • 3、客户端收到服务端发送的 TCP 建立验证请求后,发送 ACK 报文,会使自己的 seq 序列号加 1 表示,并且再次回复 ack 验证请求,在服务端发过来的 seq 上加 1 进行回复。(SYN=1,ack=y+1,seq=x+1)

至此 TCP 连接的 3 次握手过程完毕

2、四次挥手
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四次挥手过程说明
  • 1、 客户端发送断开 TCP 连接请求,并发送 FIN 报文,其中报文中包含 seq 序列号,是由发送端随机生成的,并且还将报文中的 FIN 字段置为 1,表示需要断开 TCP 连接。(FIN=1,seq=x,x 由客户端随机生成)
  • 2、服务端会回复客户端发送的 TCP 断开请求,并发送 ACK 报文,其包含 seq 序列号,是由回复端随机生成的,而且会产生 ack 字段,ack 字段数值是在客户端发过来的 seq 序列号基础上加 1 进行回复,以便客户端收到信息时,知晓自己的 TCP 断开请求已经得到验证。(ack=x+1,seq=y,y 由服务端随机生成)
  • 3、服务端在回复完客户端的 TCP 断开请求后,不会马上进行 TCP 连接的断开,服务端会先确保断开前,所有传输到客户端的数据是否已经传输完毕,一旦确认传输数据完毕,就会发送 FIN 报文ACK 报文, 将回复报文的 FIN 字段置 1,并且产生随机 seq 序列号,还会产生 ack 字段,ack 字段数值是在客户端发过来的 seq 序列号基础上加 1 进行回复。(FIN=1,ack=x+1,seq=z,z由服务端随机生成)
  • 4、客户端收到服务端的 TCP 断开请求后,会回复服务端的断开请求,并发送 FIN 报文ACK 报文,包含随机生成的 seq 字段和 ack 字段,ack 字段会在服务端的 TCP 断开请求的 seq 基础上加 1,从而完成服务端请求的验证回复。(FIN=1,ack=z+1,seq=h,h为客户端随机生成)

至此 TCP 断开的 4 次挥手过程完毕

3、11种状态
LISTEN:等待从任何远端 TCP 和端口的连接请求

SYN_SENT:发送完一个连接请求后等待一个匹配的连接请求

SYN_RECEIVED:发送连接请求并且接收到匹配的连接请求以后等待连接请求确认

ESTABLISHED:表示一个打开的连接,接收到的数据可以被投递给用户。连接的数据传输阶段的正常状态

FIN_WAIT_1:等待远端 TCP 的连接终止请求,或者等待之前发送的连接终止请求的确认

FIN_WAIT_2:等待远端 TCP 的连接终止请求

CLOSE_WAIT:等待本地用户的连接终止请求

CLOSING:等待远端 TCP 的连接终止请求确认

LAST_ACK:等待先前发送给远端 TCP 的连接终止请求的确认(包括它字节的连接终止请求的确认)

TIME_WAIT:等待足够的时间过去以确保远端 TCP 接收到它的连接终止请求的确认
TIME_WAIT 两个存在的理由:
          1.可靠的实现 TCP 全双工连接的终止
          2.允许老的重复分节在网络中消逝

CLOSED:不在连接状态(这是为方便描述假想的状态,实际不存在)
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  • 1、一开始,建立连接之前客户端和服务器的状态都为 CLOSED状态,表示没有连接关系
  • 2、服务器创建 socket 后,打开监听(LISTEN)状态
  • 3、客户端发送请求建立连接,向服务器发送 SYN 报文,客户端的状态变为 发送(SYN-SENT)状态
  • 4、服务器收到客户端的报文后向客户端发送 ACK 和 SYN 报文,此时服务器的状态变为 回复(SYN_RCVD)状态
  • 5、客户端收到 ACK、SYN,就向服务器发送 ACK,客户端状态变为 稳定连接(ESTABLISHED)状态
  • 6、服务器端收到客户端的 ACK 后变为 稳定连接(ESTABLISHED)状态。此时3次握手完成,连接建立
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由于 TCP 连接是全双工的,断开连接会比建立连接麻烦一点点

  • 1、客户端先向服务器发送 FIN 报文,请求断开连接,其状态变为 FIN_WAIT1 状态
  • 2、服务器收到 FIN 后向客户端发送 ACK,服务器的状态变为 CLOSE_WAIT 状态
  • 3、客户端收到 ack 后就进入 FIN_WAIT2 状态,此时连接已经断开了一半了。如果服务器还有数据要发送给客户端,就会继续发送
  • 4、直到发完数据,就会发送 FIN 报文,此时服务器进入 LAST_ACK 状态
  • 5、客户端收到服务器的 FIN 后,马上发送 ack 给服务器,此时客户端进入 TIME_WAIT 状态
  • 6、再过了 2MSL 长的时间后进入 CLOSED 状态。服务器收到客户端的 ack 就进入 CLOSED 状态
  • 至此,还有一个状态没有出来:CLOSING 状态
  • CLOSING 状态表示:客户端发送了 FIN,但是没有收到服务器的 ack,却收到了服务器的 FIN,这种情况发生在服务器发送的 ack 丢包的时候,因为网络传输有时会有意外

四次挥手的 2MSL(TIME-WAIT)作用
2MSL 是主动方在第四次挥手后进入等待时间

首先弄清楚几个概念:
1)RTT:客户端到服务端的往返所花时间
2)RTO:超时重传时间(与重传机制挂钩)
3)MSL:TCP报文在网络中最长存活时间

设置 2MSL 的原因是:主要担心主动方第四次挥手的 ack 没有被被动方接收到,那么被动方在经历 1个 MSL 时段后将重新发送第三次挥手 FIN 包,主动方再次接收到 FIN 包时会再次发送 ack 包,直至 2MSL 时间终结,关闭连接

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