TCP通信过程-三次握手与四次挥手以及TCP状态转换

TCP通信过程

TCP通信过程-三次握手与四次挥手以及TCP状态转换

下图是一次TCP通讯的时序图。TCP连接建立断开。包含大家熟知的三次握手和四次挥手。

TCP通信过程-三次握手与四次挥手以及TCP状态转换

在这个例子中,首先客户端主动发起连接、发送请求,然后服务器端响应请求,然后客户端主动关闭连接。两条竖线表示通讯的两端,从上到下表示时间的先后顺序。注意,数据从一端传到网络的另一端也需要时间,所以图中的箭头都是斜的。

三次握手

所谓三次握手(Three-Way Handshake)即建立TCP连接,就是指建立一个TCP连接时,需要客户端和服务端总共发送3个包以确认连接的建立。好比两个人在打电话:

Client:“喂,你听得到吗?”

Server:“我听得到,你听得到我吗?”

Client:“我能听到你,今天balabala…”

建立连接(三次握手)的过程:

  1. 客户端发送一个带SYN标志的TCP报文到服务器。这是上图中三次握手过程中的段1。客户端发出SYN位表示连接请求。序号是1000,这个序号在网络通讯中用作临时的地址,每发一个数据字节,这个序号要加1,这样在接收端可以根据序号排出数据包的正确顺序,也可以发现丢包的情况。

另外,规定SYN位和FIN位也要占一个序号,这次虽然没发数据,但是由于发了SYN位,因此下次再发送应该用序号1001。

mss表示最大段尺寸,如果一个段太大,封装成帧后超过了链路层的最大长度,就必须在IP层分片,为了避免这种情况,客户端声明自己的最大段尺寸,建议服务器端发来的段不要超过这个长度。

  1. 服务器端回应客户端,是三次握手中的第2个报文段,同时带ACK标志和SYN标志。表示对刚才客户端SYN的回应;同时又发送SYN给客户端,询问客户端是否准备好进行数据通讯。

服务器发出段2,也带有SYN位,同时置ACK位表示确认,确认序号是1001,表示“我接收到序号1000及其以前所有的段,请你下次发送序号为1001的段”,也就是应答了客户端的连接请求,同时也给客户端发出一个连接请求,同时声明最大尺寸为1024。

  1. 客户必须再次回应服务器端一个ACK报文,这是报文段3。

客户端发出段3,对服务器的连接请求进行应答,确认序号是8001。在这个过程中,客户端和服务器分别给对方发了连接请求,也应答了对方的连接请求,其中服务器的请求和应答在一个段中发出。

因此一共有三个段用于建立连接,称为“三方握手”。在建立连接的同时,双方协商了一些信息,例如,双方发送序号的初始值、最大段尺寸等。

数据传输的过程:

  1. 客户端发出段4,包含从序号1001开始的20个字节数据。
  2. 服务器发出段5,确认序号为1021,对序号为1001-1020的数据表示确认收到,同时请求发送序号1021开始的数据,服务器在应答的同时也向客户端发送从序号8001开始的10个字节数据。
  3. 客户端发出段6,对服务器发来的序号为8001-8010的数据表示确认收到,请求发送序号8011开始的数据。

在数据传输过程中,ACK和确认序号是非常重要的,应用程序交给TCP协议发送的数据会暂存在TCP层的发送缓冲区中,发出数据包给对方之后,只有收到对方应答的ACK段才知道该数据包确实发到了对方,可以从发送缓冲区中释放掉了,如果因为网络故障丢失了数据包或者丢失了对方发回的ACK段,经过等待超时后TCP协议自动将发送缓冲区中的数据包重发。

四次挥手

所谓四次挥手(Four-Way-Wavehand)即终止TCP连接,就是指断开一个TCP连接时,需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。在socket编程中,这一过程由客户端或服务器任一方执行close来触发。好比两个人打完电话要挂断:
Client:“我要说的事情都说完了,我没事了。挂啦?”
Server:“等下,我还有一个事儿。Balabala…”
Server:“好了,我没事儿了。挂了啊。”
Client:“ok!拜拜”
关闭连接(四次握手)的过程:
由于TCP连接是全双工的,因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动,一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。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。

  1. 客户端发出段7,FIN位表示关闭连接的请求。
  2. 服务器发出段8,应答客户端的关闭连接请求。
  3. 服务器发出段9,其中也包含FIN位,向客户端发送关闭连接请求。
  4. 客户端发出段10,应答服务器的关闭连接请求。
    建立连接的过程是三次握手,而关闭连接通常需要4个段,服务器的应答和关闭连接请求通常不合并在一个段中,因为有连接半关闭的情况,这种情况下客户端关闭连接之后就不能再发送数据给服务器了,但是服务器还可以发送数据给客户端,直到服务器也关闭连接为止。

TCP状态转换

TCP状态图很多人都知道,它对排除和定位网络或系统故障时大有帮助。如果能熟练掌握这张图,了解图中的每一个状态,能大大提高我们对于TCP的理解和认识。下面对这张图的11种状态详细解析一下,以便加强记忆!不过在这之前,一定要熟练掌握TCP建立连接的三次握手过程,以及关闭连接的四次挥手过程。

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