三次握手与四次挥手

• 1 数据包说明
• 2 三次握手
• 3 四次挥手
• 4 常见问题
• • 4.1 为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次？
  • 4.2 为什么TIME_WAIT状态需要2MSL才能到CLOSED状态？
  • 4.3 如果连接已经建立，但是客户端出现了故障？

TCP在传输之前会进行三次沟通，称为“三次握手”；传输数据断开的时候要进行四次沟通，称为“四次挥手”。

1 数据包说明

• 源端口号（ 16 位）：它（连同源主机 IP 地址）标识源主机的一个应用进程。
• 目的端口号（ 16 位）：它（连同目的主机 IP 地址）标识目的主机的一个应用进程。这两个值加上 IP 报头中的源主机 IP 地址和目的主机 IP 地址唯一确定一个 TCP 连接。
• 顺序号 seq（ 32 位）：用来标识从 TCP 源端向 TCP 目的端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的第一个数据字节的顺序号。如果将字节流看作在两个应用程序间的单向流动，则TCP 用顺序号对每个字节进行计数。序号是 32bit 的无符号数，序号到达 2^32 － 1 后又从 0 开始。当建立一个新的连接时， SYN标志变 1 ，顺序号字段包含由这个主机选择的该连接的初始顺序号 ISN （ Initial Sequence Number ）。
• 确认号 ack（ 32 位）：包含发送确认的一端所期望收到的下一个顺序号。因此，确认序号应当是上次已成功收到数据字节顺序号加 1 。只有 ACK标志为 1 时确认序号字段才有效。 TCP 为应用层提供全双工服务，这意味数据能在两个方向上独立地进行传输。因此，连接的每一端必须保持每个方向上的传输数据顺序号。
• TCP 报头长度（ 4 位）：给出报头中 32bit 字的数目，它实际上指明数据从哪里开始。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 ，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。
• 保留位（ 6 位）：保留给将来使用，目前必须置为 0 。
• 控制位（ control flags ， 6 位）：在 TCP 报头中有 6 个标志比特，它们中的多个可同时被设置为 1 。依次为：
  URG ：为 1 表示紧急指针有效，为 0 则忽略紧急指针值。
  ACK ：为 1 表示确认号有效，为 0 表示报文中不包含确认信息，忽略确认号字段。
  PSH ：为 1 表示是带有 PUSH 标志的数据，指示接收方应该尽快将这个报文段交给应用层
  而不用等待缓冲区装满。
  RST ：用于复位由于主机崩溃或其他原因而出现错误的连接。它还可以用于拒绝非法的报
  文段和拒绝连接请求。一般情况下，如果收到一个 RST 为 1 的报文，那么一定发生了某些
  问题。
  SYN ：同步序号，为 1 表示连接请求，用于建立连接和使顺序号同步（ synchronize ）。
  FIN ：用于释放连接，为 1 表示发送方已经没有数据发送了，即关闭本方数据流。
• 窗口大小（ 16 位）：数据字节数，表示从确认号开始，本报文的源方可以接收的字节数，即源方接收窗口大小。窗口大小是一个 16bit 字段，因而窗口大小最大为 65535 字节。
• 校验和（ 16 位）：此校验和是对整个的 TCP 报文段，包括 TCP 头部和 TCP 数据，以 16 位字进行计算所得。这是一个强制性的字段，一定是由发送端计算和存储，并由接收端进行验证。
• 紧急指针（ 16 位）：只有当 URG 标志置 1 时紧急指针才有效。TCP 的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。
• 选项 ：最常见的可选字段是最长报文大小，又称为 MSS(Maximum Segment Size) 。每个连接方通常都在通信的第一个报文段（为建立连接而设置 SYN 标志的那个段）中指明这个选项，它指明本端所能接收的最大长度的报文段。选项长度不一定是 32 位字的整数倍，所以要加填充位，使得报头长度成为整字数。
• 数据 ： TCP 报文段中的数据部分是可选的。在一个连接建立和一个连接终止时，双方交换的报文段仅有 TCP 首部。如果一方没有数据要发送，也使用没有任何数据的首部来确认收到的数据。在处理超时的许多情况中，也会发送不带任何数据的报文段。
  ACK ：为1表示确认号有效，为0 表示报文中不包含确认信息，忽略确认号字段。
  SYN ：同步序号，为1表示连接请求，用于建立连接和使用序列号同步。
  FIN ：用于释放连接，为1表示发送方没有数据发送了，即关闭本方数据流。

2 三次握手

第一次握手：
主机A发送位码为 SYN = 1` ，随记产生的seq number = x 的数据包到服务器，主机B用 SYN = 1 知道A要建立连接；
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 number = y的包；
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则建立连接。

3 四次挥手

TCP建立连接需要进行三次握手，而断开需要四次，这是由于TCP的半关闭造成的。TCP连接数据可以在两个方向上同时传递，所以关闭时每个方向都要单独进行关闭，这个单方向上的关闭就叫半关闭。
当一方完成传输任务需要关闭时，就发送一个FIN来向另一方通告要终止这个方向的连接。
**1）半关闭客户端到服务端的链接：**首先客户端A发送一个FIN，用来关闭客户端到服务器的数据传送，然后等待服务器的确认。终止标志位FIN=1，序列号seq=u；
2）等待服务器收到这个FIN，服务器发回一个ACK，确认号ack为收到的序号加1
3）半关闭服务官到客户端的连接： 服务端发送一个FIN，用来关闭服务端到客户端的数据传送，然后等待客户端的确认;
4）客户端收到FIN后，发回一个ACK报文确认，并将确认序号设置为收到的序号加1。
首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。

主机A发送FIN后进入终止等待状态，服务端B收到主机A连接释放报文段后，就立即给主机A发送确认，然后服务器B就进入到colse-wait状态。A到B的连接释放，此时是半关闭状态，即A不可以发送消息给B，但是B可以发送消息给A。此时，若B没有数据发送给A了，其应用进程就通知TCP释放连接，然后发送给A连接释放报文并等待确认。A确认后，进入time-wait，注意，此时TCP连接还没有释放掉，然后经过2MSL后，A才进入到CLOSE状态。

4 常见问题

4.1 为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次？

因为Server端收到Client端的请求连接的请求后报文后，可以直接发送SYN+ACK，应答并同步。但是再关闭连接时，Server端收到FIN报文时，并不会立即关闭连接，而是回复一个ACK，告诉Client自己收到了FIN报文。此时Client还可以接收Server端发送的报文，只有等Server端的所有报文都发送完了，然后Server端再发送FIN报文。因此FIN和ACK不能一起发送，所以需要四次。

4.2 为什么TIME_WAIT状态需要2MSL才能到CLOSED状态？

因为需要假设网络是不可靠的，有可能最后一个ACK丢失。TIME_WAIT状态使用来重发可能丢失的ACK报文。

4.3 如果连接已经建立，但是客户端出现了故障？

TCP有保活机制，定义一个时间段，在这个时间段内，如果没有任何连接相关的活动，TCP保活机制就会开始作用，每隔一个时间间隔，发送一个探测报文，连续几个探测报文都没有响应，则认为当前的TCP连接已经死亡，系统内核将错误信息通知给应用程序上层。也就是说，客户端如果出现故障，服务端不会一直等下去，这样会浪费资源。服务端每次收到客户端的请求后都会恢复计时器。若这个保活期到了，但是没有收到客户端的任何数据，服务端会发送一个探测报文段，以后每隔75秒发送一次，若连发多个仍然没有反应，服务器就认为客户端出了故障，关闭连接。（此为默认值，保活时间两小时，每次检测间隔75秒，检测9次无响应则认为对方是不可达的）

默认设置
net.ipv4.tcp_keepalive_time=7200
net.ipv4.tcp_keepalive_intvl=75
net.ipv4.tcp_keepalive_probes=9

标签：挥手,主机,报文,握手,TCP,发送,四次,FIN,连接
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