(1)三次握手
三次握手(Three-way Handshake)其实就是指建立一个 TCP 连接时,需要客户端和服务器总共发送 3 个包。进行三次握手的主要作用就是为了确认双方的接收能力和发送能力是否正常、指定自己的初始化序列号为后面的可靠性传送做准备。实质上其实就是连接服务器指定端口,建立 TCP 连接,并同步连接双方的序列号和确认号,交换 TCP 窗口大小信息。
刚开始客户端处于 Closed 的状态,服务端处于 Listen 状态。
第一次握手:客户端给服务端发一个 SYN 报文,并指明客户端的初始化序列号 ISN,此时客户端处于 SYN_SEND 状态。首部的同步位 SYN=1,初始序号 seq=x,SYN=1 的报文段不能携带数据,但要消耗掉一个序号。
第二次握手:服务器收到客户端的 SYN 报文之后,会以自己的 SYN报文作为应答,并且也是指定了自己的初始化序列号 ISN。同时会把客户端的 ISN + 1 作为ACK 的值,表示自己已经收到了客户端的 SYN,此时服务器处于 SYN_REVD 的状态。
在确认报文段中 SYN=1,ACK=1,确认号 ack=x+1,初始序号 seq=y
第三次握手:客户端收到 SYN 报文之后,会发送一个 ACK 报文,当然,也是一样把服务器的 ISN + 1 作为 ACK 的值,表示已经收到了服务端的 SYN 报文,此时客户端处于 ESTABLISHED 状态。服务器收到 ACK 报文之后,也处于 ESTABLISHED 状态,此时,双方已建立起了连接。
确认报文段 ACK=1,确认号 ack=y+1,序号 seq=x+1(初始为 seq=x,
第二个报文段所以要+1),ACK 报文段可以携带数据,不携带数据则不消耗序号。
那为什么要三次握手呢?两次不行吗?
为了确认双方的接收能力和发送能力都正常
如果是用两次握手,则会出现下面这种情况:
如客户端发出连接请求,但因连接请求报文丢失而未收到确认,于是客户端再重传一次连接请求。后来收到了确认,建立了连接。数据传输完毕后,就释放了连接,客户端共发出了两个连接请求报文段,其中第一个丢失,第二个到达了服务端,但是第一个丢失的报文段只是在某些网络结点长时间滞留了,延误到连接释放以后的某个时间才到达服务端,此时服务端误认为客户端又发出一次新的连接请求,于是就向客户端发出确认报文段,同意建立连接,不采用三次握手,只要服务端发出确认,就建立新的连接了,此时客户端忽略服务端发来的确认,也不发送数据,则服务端一致等待客户端发送数据,浪费资源。
简单来说就是以下三步:
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第一次握手:客户端向服务端发送连接请求报文段。该报文段中包含自身的数据通讯初始序号。请求发送后,客户端便进入 SYN-SENT 状态。
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第二次握手:服务端收到连接请求报文段后,如果同意连接,则会发送一个应答,该应答中也会包含自身的数据通讯初始序号,发送完成后便进入 SYN-RECEIVED 状态。
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第三次握手:当客户端收到连接同意的应答后,还要向服务端发送一个确认报文。客户端发完这个报文段后便进入 ESTABLISHED 状态,服务端收到这个应答后也进入 ESTABLISHED 状态,此时连接建立成功。
TCP 三次握手的建立连接的过程就是相互确认初始序号的过程,告诉对方,什么样序号的报文段能够被正确接收。第三次握手的作用是客户端对服务器端的初始序号的确认。如果只使用两次握手,那么服务器就没有办法知道自己的序号是否 已被确认。同时这样也是为了防止失效的请求报文段被服务器接收,而出现错误的情况。
(2)四次挥手
刚开始双方都处于 ESTABLISHED 状态,假如是客户端先发起关闭请求。四次挥手的过程如下:
第一次挥手: 客户端会发送一个 FIN 报文,报文中会指定一个序列号。此时客户端处于 FIN_WAIT1 状态。
即发出连接释放报文段(FIN=1,序号 seq=u),并停止再发送数据,主动关闭 TCP 连接,进入 FIN_WAIT1(终止等待 1)状态,等待服务端的确认。
第二次挥手:服务端收到 FIN 之后,会发送 ACK 报文,且把客户端的序列号值 +1 作为 ACK 报文的序列号值,表明已经收到客户端的报文了,此时服务端处于 CLOSE_WAIT 状态。
即服务端收到连接释放报文段后即发出确认报文段(ACK=1,确认号ack=u+1,序号 seq=v),服务端进入 CLOSE_WAIT(关闭等待)状态,此时的 TCP 处于半关闭状态,客户端到服务端的连接释放。客户端收到服务端的确认后,进入 FIN_WAIT2(终止等待 2)状态,等待服务端发出的连接释放报文段。
第三次挥手:如果服务端也想断开连接了,和客户端的第一次挥手一样,发给 FIN 报文,且指定一个序列号。此时服务端处于 LAST_ACK 的状态。
即服务端没有要向客户端发出的数据,服务端发出连接释放报文段(FIN=1,ACK=1,序号 seq=w,确认号 ack=u+1),服务端进入 LAST_ACK(最后确认)状态,等待客户端的确认。
第四次挥手:客户端收到 FIN 之后,一样发送一个 ACK 报文作为应答,且把服务端的序列号值 +1 作为自己 ACK 报文的序列号值,此时客户端处于 TIME_WAIT 状态。需要过一阵子以确保服务端收到自己的 ACK 报文之后才会进入 CLOSED 状态,服务端收到 ACK 报文之后,就处于关闭连接了,处于 CLOSED 状态。
即客户端收到服务端的连接释放报文段后,对此发出确认报文段(ACK=1,seq=u+1,ack=w+1),客户端进入 TIME_WAIT(时间等待)状态。此时 TCP 未释放掉,需要经过时间等待计时器设置的时间 2MSL后,客户端才进入 CLOSED 状态。
那为什么需要四次挥手呢?
因为当服务端收到客户端的 SYN 连接请求报文后,可以直接发送 SYN+ACK 报文。其中 ACK 报文是用来应答的,SYN 报文是用来同步的。但是关闭连接时,当服务端收到 FIN 报文时,很可能并不会立即关闭SOCKET,所以只能先回复一个 ACK 报文,告诉客户端,“你发的 FIN 报文我收到了”。只有等到我服务端所有的报文都发送完了,我才能发送 FIN 报文,因此不能一起发送,故需要四次挥手
简单来说就是以下四步:
第一次挥手:若客户端认为数据发送完成,则它需要向服务端发送连接释放请求。
第二次挥手:服务端收到连接释放请求后,会告诉应用层要释放 TCP 链接。然后会发送 ACK 包,并进入 CLOSE_WAIT 状态,此时表明客户端到服务端的连接已经释放,不再接收客户端发的数据了。但是因为 TCP 连接是双向的,所以服务端仍旧可以发送数据给客户端。
第三次挥手:服务端如果此时还有没发完的数据会继续发送,完毕后会向客户端发送连接释放请求,然后服务端便进入 LAST-ACK 状态。
第四次挥手:客户端收到释放请求后,向服务端发送确认应答,此时客户端进入 TIME-WAIT 状态。该状态会持续 2MSL(最大段生存期,指报文段在网络中生存的时间,超时会被抛弃) 时间,若该时间段内没有服务端的重发请求的话,就进入 CLOSED 状态。当服务端收到确认应答后,也便进入 CLOSED 状态。
TCP 使用四次挥手的原因是因为 TCP 的连接是全双工的,所以需要双方分别释放到对方的连接,单独一方的连接释放,只代 表不能再向对方发送数据,连接处于的是半释放的状态。
最后一次挥手中,客户端会等待一段时间再关闭的原因,是为了防止发送给服务器的确认报文段丢失或者出错,从而导致服务器 端不能正常关闭。