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计算机网络——TCP的三次握手与四次挥手(超详细)

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一、前言

  今天刚看完《计算机网络——自顶向下方法》这本书的运输层这一章。直到今天我才知道,TCP协议居然有这么复杂(之前上课都没怎么认真听),这一章节总共七十多页,主要介绍UDPTCP,但UDP的内容却只占不超过5页,大部分的篇幅都是在讲解TCP的机制。但是就算这样,我还是感觉这本书对TCP的讲解不够详细,忽略了很多内容和细节,导致我无法将这本书对TCP的讲解串通在一起,感觉前后矛盾,同时也有很多地方无法理解。这一章读下来,我对TCP有了更深入的了解,但是同时也对它有了更多的疑问。由此看来,想要真正弄懂TCP,不能仅仅依靠这种入门书籍,应该选择一些专门讲解这一块内容的书籍进行研究。

  接下来我准备将这几天看的TCP的内容进行一次总结,以博客的形式将这些内容记录下来,算是加深印象吧。这篇博客就先来说一说TCP三次握手四次挥手,也就是TCP连接的建立与断开,算是TCP中相对比较简单的部分。

二、解析

 2.1 TCP的报文格式

  想要了解TCP的三次握手与四次挥手,首先得了解一下TCP的报文格式,因为这两个过程需要依赖TCP报文中的一些字段。下面我们通过一幅图来讲解TCP的报文格式:

  我只介绍TCP报文中,与三次握手和四次挥手有关的部分:

  • 源端口号:本次TCP连接中,发起连接的主机使用的端口号;
  • 目的端口号:本次TCP连接主,接受连接的主机使用的端口号;
  • 序号:通过TCP传输的每一个数据段,都有一个序号,作用是为了确认此数据段的顺序。网络中允许传输的数据长度是有限制的,所以当我们要通过TCP传输一个较大的数据时,TCP会将数据切割成很多小的数据段进行传输。而将这些小的数据段发送到目的主机时(发送方会同时发送多个数据),并不能保证它们是按顺序到达目的地,所以对于每一个数据段,都要有一个序号,来标识它们是属于总数据的哪一部分,以保证在目的主机中能将他们重新拼接。
  • 确认序号:接收方若接收到一个数据段,会发送一个确认报文给发送方,告诉发送方已经接收到这个数据段,而确认序号的作用就是告诉发送方接收到了哪条数据段。若接收方接收到了序号为n的报文段,则确认序号将是n+1,表示它已经接收了n,下一条想要接收n+1
  • 首部长度TCP报文的首部+选项的字节数;
  • ACK:只有1 bit的标志位,若为1,表示这个数据段中的确认序号是有效的,即这个数据报是对之前接收到的某个报文的确认(一个TCP报文可以同时作为确认报文和传递数据报文)。
  • RST:只有1 bit的标志位,若客户端向服务器的一个端口请求建立TCP连接,但是服务器的那个端口并不允许建立连接(比如没开启此端口),则服务器会回送一个TCP报文,将RST位置为1,告诉客户端不要再向这个端口发起连接;
  • SYN:只有1 bit的标志位,若为1,表示这是一条建立连接的TCP报文段;
  • FIN:只有1 bit的标志位,若为1,表示这是一条断开连接的TCP报文段;

  对于TCP报文格式,就先介绍这么多,其余的部分虽然也很重要,但是并没有作用于TCP连接的建立与断开,所以就不在这里叙述了。

 2.2 TCP三次握手的过程

  TCP建立连接的过程中需要发送三次报文,所以TCP建立连接也被称为三次握手,接下来我就来讲讲这三次握手的过程,假设客户端向服务器发起TCP连接:

  • 第一步:客户端的TCP程序首先向服务器的TCP程序发送一个TCP报文。这个报文不包含数据,且它的SYN标志位被置为1,表示这是一条建立连接的TCP报文段,因此这个报文段也被称为SYN报文段。客户端的TCP程序随机选择一个序号作为客户端报文的初始序号(假设序号为client_isn),放入这个报文段的序号部分。这个报文段由运输层传递到网络层后,被封装在一个IP数据报中发往服务器;
  • 第二步:包含SYN报文段的IP数据报被服务器接收,服务器的网络层将SYN数据报抽取出来,交给运输层,同时服务器为该TCP连接分配资源(包括发送缓存、接收缓存和变量等),并向客户发送允许连接的TCP报文段。这条允许连接的报文段不包含数据,SYN标志位也被置为1,同时它的ACK标志位也被置为1,表示它是SYN报文段的确认报文,所以这条允许连接的报文段也被称为SYNACK报文段。服务器随机选择一个序号,作为服务器报文段的初始序号(假设称为server_isn),并将其放入SYNACK报文段的序号部分,同时确认号字段被设置为client_isn + 1SYN报文段的序号+1)。这个报文段可以解释为服务器向客户端说:“我收到了你的连接请求,我允许你连接,我的初始序号是server_isn”。
  • 第三步:当客户端接收到SYNACK报文段后,它也将为TCP连接分配资源(缓存和变量),同时生成一条SYNACK报文段的确认报文,并发送给服务器。由于经过上面两个步骤,已经算是建立了连接,所以这次的SYN标志位将被置为0,而不是1ACK标志位是1)。同时,这条报文段的序号被设置为client_isn + 1(第一条客户报文的序号是client_isn,而这是它的下一条,所以+1),而确认序号被设置为server_isn + 1(第一条服务器报文的序号是server_isn,客户端成功接收,所以期望服务器下一次发送server_isn + 1)。和上面两条报文不同,第三条报文可以携带数据,比如HTTP的请求就是在TCP的第三次握手报文中发送到服务器的。

  经过上面这三个步骤,TCP连接就算正式建立完毕,客户端和服务器可以相互发送数据了。下面是这个过程的图片形式:

 2.3 为什么是三次握手而不是两次

  首先我们要明确,两次握手是必要的。第一次握手,客户端将SYN报文发送到服务器,服务器接收到报文后,即可确认客户端到服务器是可达的;而服务器向客户端发送响应的SYNACK报文,客户端接收到后,即可确认服务器到客户端也是可达的。至此,连接已经算是建立,那为什么还要有第三次握手呢?

  客户端和服务器的握手过程,不仅仅是确认互相可达的过程,更重要的是一个同步的过程,SYN就是同步(Synchronize)的缩写。对于TCP报文段来说,序号是一个至关重要的部分,它保证了TCP传输数据的完整性。而我们上面也说过,TCP报文的初始序号不是从0开始的,而是一个随机的序号,而所谓的同步,就是TCP客户端和服务器互相同步初始序号的过程。第一次握手,客户端发送SYN报文,将自己的初始序号发送到了服务器,服务器接收到后,向客户端发送SYNACK报文段,告诉客户端已经收到了它的初始序号,同时在这个报文段中带上了自己的初始序号。这个时候,第三次握手的作用就出来了:第三次握手实际上就是客户端在告诉服务器,自己已经收到了它的初始序号,完成了同步,可以开始相互传输数据了。若没有第三次握手,服务器将无法保证客户端接收到了自己的SYNACK报文段,若此时SYNACK报文段丢失,客户端不知道服务器的初始序号,将无法处理之后到达客户端的数据。

  在很多书籍和网上的博客中还流传另外一种说法。若仅仅是两次握手,将产生以下问题:客户端向服务器发送SYN报文段请求建立连接,但是没有在指定时间内收到SYNACK报文段,所以客户端认为SYN报文段在网络中丢失,则再次发送SYN报文段,并成功接收到了SYNACK报文段,但是客户端在很短的时间内就断开了TCP连接。然而,最初的SYN报文并没有丢失,只是传输时延太长,过了许久才到达。等它到达服务器时,其实客户端已经与服务器建立过TCP连接,并且已经断开了。此时服务器接收到这条SYN报文段,以为客户端又想建立一条新的连接,于是向客户端回送ACK报文,并为连接分配了资源。由于没有第三次握手,服务器将不知道这其实是上一次连接的报文,于是将它创建一个新的TCP连接并维持,直至因为太久没有接收到数据而释放。这种情况非常浪费资源,所以为了防止这种情况的发生,才需要客户端的再一次确认。

  实际上,上面所述的第一点才是TCP三次握手的原因,第二个只能算是顺带的好处吧,从建立连接的报文被称为SYN(同步)就可以看出这点。

 2.4 TCP四次挥手的过程

  说完了三次握手,下面来说说四次挥手的过程。TCP在断开连接时,客户端与服务器之间要交换四次报文,所以,TCP的断开连接也叫四次挥手。

  • 第一步:客户端进程发出断开连接指令,这将导致客户端的TCP程序创建一个特殊的TCP报文段,发送到服务器。这个报文段的FIN字段被置为1,表示这是一条断开连接的报文;
  • 第二步:服务器接收到客户端发来的断开连接报文,向客户端回送这个报文的确认报文(ACK字段为1),告诉服务器已经接收到FIN报文,并允许断开连接;
  • 第三步:服务器发送完确认报文后,服务器的TCP程序创建一条自己的断开连接报文,此报文的FIN字段被置为1,然后发往客户端;
  • 第四步:客户端接收到服务器发来的FIN报文段,则产生一条确认报文(ACK1),发送给服务器,告知服务器已经接收到了它的断开报文。服务器接收到这条ACK报文段后,释放TCP连接相关的资源(缓存和变量),而客户端等待一段时间后(半分钟、一分钟或两分钟),也释放处于客户端的缓存和变量;

  以上就是四次挥手的过程,相对建立连接来说要简单一些。以上是以客户端请求断开连接来举例,但其实也可以由服务器断开连接。

 2.5 客户端为什么要等待一段时间再释放资源

  看完上面四次挥手的过程,可能有的人会有疑问,四次挥手之后,连接不是已经断开了吗,为什么客户端还要等待一段时间再释放资源呢?原因有两个:

  • 原因一:客户端接收到服务器发送的FIN报文后(第三次挥手),会回送一条确认报文(第四次挥手),但是,客户端并不知道这条确认报文是否可以顺利到达服务器。若这条确认报文在传送到服务器的过程中损坏、丢失或超时,将引起服务器重新发送FIN报文,客户端接收到后,将需要再次发送一条确认报文,直到服务器正确接收。但是,客户端发送确认报文后,立刻释放资源,将导致无法处理重传的FIN报文,所以客户端需要等待一段时间,直到确认没有出现上述情况出现再释放资源。
  • 原因二TCP四次挥手完成后,理论上已经断开了连接,但是这不代表之前通过这条连接发送的所有数据都处理完毕了,有些可能还在网络中传输。若在四次挥手后,立即释放客户端的资源,然后客户端立即以同一个源端口,向服务器的同一个目的端口再次建立一个TCP连接,这个连接和上一个的 源端口+源IP+目的端口+目的IP 都一模一样,此时将会产生问题。若上一次连接遗留在网络中的报文此时到达,将会被当做新连接传输的数据处理,于是可能会产生一些不可预估的错误。所以,客户端在断开连接后,需要等待一段时间,直到网络中遗留的数据都死掉,才释放资源,而在资源没有被释放前,是不允许建立一个 源端口+源IP+目的端口+目的IP 都一模一样的TCP连接的(因为TCP套接字由这四部分标识)。

 2.6 断开连接为什么需要四次挥手

  有的人可能也会想,断开连接为什么是四次挥手,不能是两次呢?其中一方请求断开连接,另一方确认即可,为什么这个过程需要两边各发起一次?原因就是:TCP连接是全双工的。什么是全双工,即AB建立连接,则A可以向B发送数据,而B也可以向A发送数据。

  我们知道断开连接的请求什么时候发起?当然就是在不再有数据需要发送时。我们依旧以客户端向服务器断开连接为例。假设客户端和服务器建立了一个TCP连接,在客户端需要向服务器发送的数据都发送完后,客户端就可以向服务器发送一个FIN报文段,请求断开连接;服务器接收到后,将会回送一个ACK报文,告诉客户端,自己已经收到了它断开连接的请求。若只有两次挥手,这个时候连接就算是断开了。但是这样真的合理吗?答案当然是否定的。

  客户端发送完数据后,告诉服务器,我没有数据了,可以和你断开,但是不代表服务器没有数据需要发送到客户端了呀。TCP是一个全双工的连接,代表服务器也有可能有数据需要发送到客户端。所以,只有当两端的数据都发送完毕,连接才能安全的断开。因此,服务器接收到了客户端的FIN报文段,他会等到自己所有的数据发送完,然后也向客户端发送一个FIN报文,告诉客户端我也没数据了,这时候连接才能真正断开,两端各自释放资源。

三、总结

  以上对TCP的三次握手和四次挥手做了一个比较全面的讲解,相信看完之后可以让人对TCP连接的建立和断开有更深入的理解。但是,这一部分内容实际上只是TCP中比较简单的一块,尽管如此,还是用了这么多篇幅去讲解,可想而知TCP的复杂性。我后面还将写几篇关于TCP其他方面的内容,希望在搜集资料和编写的过程中,能够加深我对它的理解。

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