TCP/IP三次握手與四次揮手講解

背景

和女朋友異地戀一年多，為了保持感情我提議每天晚上視頻聊天一次。

從好上開始，到現(xiàn)在，一年多也算堅(jiān)持下來了。

問題

有時(shí)候聊天的過程中，我的網(wǎng)絡(luò)或者她的網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)不好，視頻就會(huì)卡住，聽不到對(duì)方的聲音，過一會(huì)兒之后才會(huì)恢復(fù)。

中間雙方可能就要不斷的確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)是否恢復(fù)，但是有時(shí)候會(huì)：

她：“你可以聽到了嗎？”

我：“可以了，你呢？”、

她：“喂喂，你可以聽到了嗎？”

我：“可以了，我可以聽到了，你呢？”

她：“你可以聽到了嗎？”

.....

這種情況很蛋疼，那么怎樣才能找一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法，讓兩個(gè)人都確認(rèn)自己可以聽到對(duì)方的聲音，對(duì)方也可以聽到自己的聲音呢？

注：以下情節(jié)純屬虛構(gòu)

方案

TCP建立連接為什么是三次握手，而不是兩次或四次？

TCP，名為傳輸控制協(xié)議，是一種可靠的傳輸層協(xié)議，IP協(xié)議號(hào)為6。

順便說一句，原則上任何數(shù)據(jù)傳輸都無法確保絕對(duì)可靠，三次握手只是確保可靠的基本需要。

舉個(gè)日常例子，打電話時(shí)我們對(duì)話如下：

對(duì)應(yīng)為客戶端與服務(wù)器之間的通信：

于是有了如下對(duì)話：

我：1+1等于幾？

她：2,2+2等于幾？

我：4

首先兩個(gè)人約定協(xié)議

1.感覺網(wǎng)絡(luò)情況不對(duì)的時(shí)候，任何一方都可以發(fā)起詢問

2.任何情況下，若發(fā)起詢問后5秒還沒收到回復(fù)，則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)不通

3.網(wǎng)絡(luò)不通的情況下等1min路由器之后再發(fā)起詢問

對(duì)于我而言，發(fā)起 “1+1等于幾”的詢問后

1. 若5s內(nèi)沒有收到回復(fù)，則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)不通

2. 若收到回復(fù)，則我確認(rèn)①我能聽到她的消息 ②她能聽到我的消息，然后回復(fù)她的問題的答案

對(duì)于她而言，當(dāng)感覺網(wǎng)絡(luò)情況不對(duì)的時(shí)候

1. 若沒有收到我的詢問，則她發(fā)起詢問

2. 若收到“1+1等于幾”，則她確認(rèn) ①她可以聽到我的消息，然后回復(fù)我的問題的答案和她的問題“2，2+2等于幾”

3. 若5s內(nèi)沒有收到我的回復(fù)“4”，則她確認(rèn) ②我聽不見她的消息

4. 若5s內(nèi)收到了我的回復(fù)“4”，則她確認(rèn) ②我可以聽見她的消息

這樣，如果上面的對(duì)話得以完成，就證明雙方都可以確認(rèn)自己可以聽到對(duì)方的聲音，對(duì)方也可以聽到自己的聲音！

這個(gè)故事可以解釋TCP為什么要三次握手嗎 ... 囧

關(guān)于四次揮手

先由客戶端向服務(wù)器端發(fā)送一個(gè)FIN，請(qǐng)求關(guān)閉數(shù)據(jù)傳輸。

當(dāng)服務(wù)器接收到客戶端的FIN時(shí)，向客戶端發(fā)送一個(gè)ACK，其中ack的值等于FIN+SEQ

然后服務(wù)器向客戶端發(fā)送一個(gè)FIN，告訴客戶端應(yīng)用程序關(guān)閉。

當(dāng)客戶端收到服務(wù)器端的FIN是，回復(fù)一個(gè)ACK給服務(wù)器端。其中ack的值等于FIN+SEQ

為什么要4次揮手？

確保數(shù)據(jù)能夠完整傳輸。

當(dāng)被動(dòng)方收到主動(dòng)方的FIN報(bào)文通知時(shí)，它僅僅表示主動(dòng)方?jīng)]有數(shù)據(jù)再發(fā)送給被動(dòng)方了。

但未必被動(dòng)方所有的數(shù)據(jù)都完整的發(fā)送給了主動(dòng)方，所以被動(dòng)方不會(huì)馬上關(guān)閉SOCKET,它可能還需要發(fā)送一些數(shù)據(jù)給主動(dòng)方后，

再發(fā)送FIN報(bào)文給主動(dòng)方，告訴主動(dòng)方同意關(guān)閉連接，所以這里的ACK報(bào)文和FIN報(bào)文多數(shù)情況下都是分開發(fā)送的。

一、TCP報(bào)文格式

TCP報(bào)文格式圖：

上圖中有幾個(gè)字段需要重點(diǎn)介紹下：

（1）序號(hào)：Seq序號(hào)，占32位，用來標(biāo)識(shí)從TCP源端向目的端發(fā)送的字節(jié)流，發(fā)起方發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)此進(jìn)行標(biāo)記。

（2）確認(rèn)序號(hào)：Ack序號(hào)，占32位，只有ACK標(biāo)志位為1時(shí)，確認(rèn)序號(hào)字段才有效，Ack=Seq+1。

（3）標(biāo)志位：共6個(gè)，即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等，具體含義如下：

（A）URG：緊急指針（urgent pointer）有效。

（B）ACK：確認(rèn)序號(hào)有效。

（C）PSH：接收方應(yīng)該盡快將這個(gè)報(bào)文交給應(yīng)用層。

（D）RST：重置連接。

（E）SYN：發(fā)起一個(gè)新連接。

（F）FIN：釋放一個(gè)連接。

需要注意的是：

（A）不要將確認(rèn)序號(hào)Ack與標(biāo)志位中的ACK搞混了。

（B）確認(rèn)方Ack=發(fā)起方Req+1，兩端配對(duì)。?

二、三次握手

TCP(Transmission Control Protocol)　傳輸控制協(xié)議

TCP是主機(jī)對(duì)主機(jī)層的傳輸控制協(xié)議，提供可靠的連接服務(wù)，采用三次握手確認(rèn)建立一個(gè)連接

位碼即tcp標(biāo)志位,有6種標(biāo)示:

SYN(synchronous建立聯(lián)機(jī))

ACK(acknowledgement?確認(rèn))

PSH(push傳送)

FIN(finish結(jié)束)

RST(reset重置)

URG(urgent緊急)

Sequence number(順序號(hào)碼)

Acknowledge number(確認(rèn)號(hào)碼)?

establish ?建立，創(chuàng)建

所謂三次握手（Three-Way Handshake）即建立TCP連接，是指建立一個(gè)TCP連接時(shí)，需要客戶端和服務(wù)端總共發(fā)送3個(gè)包以確認(rèn)連接的建立。在socket編程中，這一過程由客戶端執(zhí)行connect來觸發(fā)，整個(gè)流程如下圖所示：

（1）第一次握手：Client將標(biāo)志位SYN置為1，隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)值seq=J，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給Server，Client進(jìn)入SYN_SENT狀態(tài)，等待Server確認(rèn)。

（2）第二次握手：Server收到數(shù)據(jù)包后由標(biāo)志位SYN=1知道Client請(qǐng)求建立連接，Server將標(biāo)志位SYN和ACK都置為1，ack (number )=J+1，隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)值seq=K，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給Client以確認(rèn)連接請(qǐng)求，Server進(jìn)入SYN_RCVD狀態(tài)。

（3）第三次握手：Client收到確認(rèn)后，檢查ack是否為J+1，ACK是否為1，如果正確則將標(biāo)志位ACK置為1，ack=K+1，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給Server，Server檢查ack是否為K+1，ACK是否為1，如果正確則連接建立成功，Client和Server進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，完成三次握手，隨后Client與Server之間可以開始傳輸數(shù)據(jù)了。

SYN攻擊：

在三次握手過程中，Server發(fā)送SYN-ACK之后，收到Client的ACK之前的TCP連接稱為半連接（half-open connect），此時(shí)Server處于SYN_RCVD狀態(tài)，當(dāng)收到ACK后，Server轉(zhuǎn)入ESTABLISHED狀態(tài)。SYN攻擊就是Client在短時(shí)間內(nèi)偽造大量不存在的IP地址，并向Server不斷地發(fā)送SYN包，Server回復(fù)確認(rèn)包，并等待Client的確認(rèn)，由于源地址是不存在的，因此，Server需要不斷重發(fā)直至超時(shí)，這些偽造的SYN包將長(zhǎng)時(shí)間占用未連接隊(duì)列，導(dǎo)致正常的SYN請(qǐng)求因?yàn)殛?duì)列滿而被丟棄，從而引起網(wǎng)絡(luò)堵塞甚至系統(tǒng)癱瘓。SYN攻擊時(shí)一種典型的DDOS攻擊，檢測(cè)SYN攻擊的方式非常簡(jiǎn)單，即當(dāng)Server上有大量半連接狀態(tài)且源IP地址是隨機(jī)的，則可以斷定遭到SYN攻擊了，使用如下命令可以讓之現(xiàn)行：

?

?

?

#netstat -nap | grep SYN_RECV

?

?

?

三、四次揮手

三次握手耳熟能詳，四次揮手估計(jì)就..所謂四次揮手（Four-Way Wavehand）即終止TCP連接，就是指斷開一個(gè)TCP連接時(shí)，需要客戶端和服務(wù)端總共發(fā)送4個(gè)包以確認(rèn)連接的斷開。在socket編程中，這一過程由客戶端或服務(wù)端任一方執(zhí)行close來觸發(fā)，整個(gè)流程如下圖所示：

由于TCP連接時(shí)全雙工的，因此，每個(gè)方向都必須要單獨(dú)進(jìn)行關(guān)閉，這一原則是當(dāng)一方完成數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)后，發(fā)送一個(gè)FIN來終止這一方向的連接，收到一個(gè)FIN只是意味著這一方向上沒有數(shù)據(jù)流動(dòng)了，即不會(huì)再收到數(shù)據(jù)了，但是在這個(gè)TCP連接上仍然能夠發(fā)送數(shù)據(jù)，直到這一方向也發(fā)送了FIN。首先進(jìn)行關(guān)閉的一方將執(zhí)行主動(dòng)關(guān)閉，而另一方則執(zhí)行被動(dòng)關(guān)閉，上圖描述的即是如此。

（1）第一次揮手：Client發(fā)送一個(gè)FIN，用來關(guān)閉Client到Server的數(shù)據(jù)傳送，Client進(jìn)入FIN_WAIT_1狀態(tài)。

（2）第二次揮手：Server收到FIN后，發(fā)送一個(gè)ACK給Client，確認(rèn)序號(hào)為收到序號(hào)+1（與SYN相同，一個(gè)FIN占用一個(gè)序號(hào)），Server進(jìn)入CLOSE_WAIT狀態(tài)。

（3）第三次揮手：Server發(fā)送一個(gè)FIN，用來關(guān)閉Server到Client的數(shù)據(jù)傳送，Server進(jìn)入LAST_ACK狀態(tài)。

（4）第四次揮手：Client收到FIN后，Client進(jìn)入TIME_WAIT狀態(tài)，接著發(fā)送一個(gè)ACK給Server，確認(rèn)序號(hào)為收到序號(hào)+1，Server進(jìn)入CLOSED狀態(tài)，完成四次揮手。

上面是一方主動(dòng)關(guān)閉，另一方被動(dòng)關(guān)閉的情況，實(shí)際中還會(huì)出現(xiàn)同時(shí)發(fā)起主動(dòng)關(guān)閉的情況，具體流程如下圖：

流程和狀態(tài)在上圖中已經(jīng)很明了了，在此不再贅述，可以參考前面的四次揮手解析步驟。

四、附注

關(guān)于三次握手與四次揮手通常都會(huì)有典型的面試題，在此提出供有需求的同學(xué)們參考：

（1）三次握手是什么或者流程？四次握手呢？答案前面分析就是。

（2）為什么建立連接是三次握手，而關(guān)閉連接卻是四次揮手呢？

這是因?yàn)榉?wù)端在LISTEN狀態(tài)下，收到建立連接請(qǐng)求的SYN報(bào)文后，把ACK和SYN放在一個(gè)報(bào)文里發(fā)送給客戶端。而關(guān)閉連接時(shí)，當(dāng)收到對(duì)方的FIN報(bào)文時(shí)，僅僅表示對(duì)方不再發(fā)送數(shù)據(jù)了但是還能接收數(shù)據(jù)，己方也未必全部數(shù)據(jù)都發(fā)送給對(duì)方了，所以己方可以立即close，也可以發(fā)送一些數(shù)據(jù)給對(duì)方后，再發(fā)送FIN報(bào)文給對(duì)方來表示同意現(xiàn)在關(guān)閉連接，因此，己方ACK和FIN一般都會(huì)分開發(fā)送。

編輯：黃飛

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