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TCP协议三次握手与四次挥手通俗解析

 TCP/IP协议三次握手与四次握手流程解析

一、TCP报文格式

TCP/IP协议的详细信息参看《TCP/IP协议详解》三卷本。下面是TCP报文格式图:

图1 TCP报文格式

 上图中有几个字段需要重点介绍下:

  (1)序号:Seq序号,占32位,用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流,发起方发送数据时对此进行标记。

  (2)确认号:Ack序号,占32位,只有ACK标志位为1时,确认序号字段才有效,Ack=Seq+1。

  (3)标志位:共6个,即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等,具体含义如下:

    (A)URG   (urgent):紧急指针(urgent pointer)有效。     (B)ACK   (acknowledgement):确认位,为1时,确认序号有效。     (C)PSH   (push):传送,接收方应该尽快将这个报文交给应用层。     (D)RST   (finish):重置位,重置连接。     (E)SYN   (synchronous):同步位,建立一个连接。     (F)FIN   (finish):结束位,释放一个连接。  需要注意的是:   (A)不要将确认序号Ack与标志位中的ACK搞混了。   (B)确认方Ack=发起方Req+1,两端配对。 

二、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。在socket编程中,这一过程由客户端执行connect来触发,整个流程如下图所示:

图2 TCP三次握手

(1)第一次握手:

     Client  向  Server  发送请求建立链接的请求(Client将标志位SYN置为1,随机产生一个值seq=J,并将该数据包发送给Server,Client进入SYN_SENT状态,等待Server确认。)

  (2)第二次握手:

     Server  收到数据包后,由标志位SYN=1知道  Client  请求建立连接,Server 将标志位SYN和ACK都置为1,ack=J+1,随机产生一个值seq=K,并将该数据包发送给 Client ,通知 Client ,Server 已收到连接请求,Server进入SYN_RCVD状态。

(3)第三次握手:

      Client收到确认后,检查ack是否为J+1,ACK是否为1,如果正确则代表Server 已收到连接请求,并将标志位ACK置为1,ack=K+1,然后将该数据包发送给Server,Server检查ack是否为K+1,ACK是否为1,如果是则代表则两端通信正常,连接建立成功,Client和Server进入 ESTABLISHED 状态,完成三次握手,随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

一个完整的三次握手也就是 请求---应答---再次确认

SYN攻击:       在三次握手过程中,Server发送SYN-ACK之后,收到Client的ACK之前的TCP连接称为半连接(half-open connect),此时Server处于SYN_RCVD状态,当收到ACK后,Server转入ESTABLISHED状态。SYN攻击就是Client在短时间内伪造大量不存在的IP地址,并向Server不断地发送SYN包,Server回复确认包,并等待Client的确认,由于源地址是不存在的,因此,Server需要不断重发直至超时,这些伪造的SYN包将产时间占用未连接队列,导致正常的SYN请求因为队列满而被丢弃,从而引起网络堵塞甚至系统瘫痪。SYN攻击时一种典型的DDOS攻击,检测SYN攻击的方式非常简单,即当Server上有大量半连接状态且源IP地址是随机的,则可以断定遭到SYN攻击了,使用如下命令可以让之现行:   #netstat -nap | grep SYN_RECV

三、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端任一方执行close来触发,整个流程如下图所示:

图3 TCP四次挥手

  由于TCP连接时全双工的,因此,每个方向都必须要单独进行关闭,这一原则是当一方完成数据发送任务后,发送一个FIN来终止这一方向的连接,收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了,即不会再收到数据了,但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据,直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方则执行被动关闭,上图描述的即是如此。

   (1)第一次挥手:Client发送一个FIN,用来关闭Client到Server的数据传送,Client进入FIN_WAIT_1状态。

   (2)第二次挥手:Server收到FIN后,发送一个ACK给Client,确认序号为收到序号+1(与SYN相同,一个FIN占用一个序号),Server进入CLOSE_WAIT状态。

   (3)第三次挥手:Server发送一个FIN,用来关闭Server到Client的数据传送,Server进入LAST_ACK状态。

   (4)第四次挥手:Client收到FIN后,Client进入TIME_WAIT状态,接着发送一个ACK给Server,确认序号为收到序号+1,Server进入CLOSED状态,完成四次挥手。

 上面是一方主动关闭,另一方被动关闭的情况,实际中还会出现同时发起主动关闭的情况,具体流程如下图:

图4 同时挥手   流程和状态在上图中已经很明了了,在此不再赘述,可以参考前面的四次挥手解析步骤。

四、常见问答题

1.为什么建立连接协议是三次握手,而关闭连接却是四次握手呢?

  这是因为服务端的LISTEN状态下的SOCKET当收到SYN报文的建连请求后,它可以把ACK和SYN(ACK起应答作用,而SYN起同步作用)放在一个报文里来发送。

  但关闭连接时,当收到对方的FIN报文通知时,它仅仅表示对方没有数据发送给你了,但是还能接收数据;但未必己方所有的数据都全部发送给对方了,所以你可能未必会马上会关闭SOCKET,也即你可能还需要发送一些数据给对方之后,再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接,所以它这里的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的。

2.为什么TIME_WAIT状态还需要等2MSL后才能返回到CLOSED状态?

  这是因为虽然双方都同意关闭连接了,而且握手的4个报文也都协调和发送完毕,按理可以直接回到CLOSED状态(就好比从SYN_SEND状态到ESTABLISH状态那样);但是因为我们必须要假想网络是不可靠的,你无法保证你最后发送的ACK报文会一定被对方收到,因此对方处于LAST_ACK状态下的SOCKET可能会因为超时未收到ACK报文,而重发FIN报文,所以这个TIME_WAIT状态的作用就是用来重发可能丢失的ACK报文。

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