注意!是TCP不是HTTP的3次握手与4次挥手

引言

在开发中,时不时会听到关于HTTP的三次握手和四次挥手,在面试中也会被问道HTTP的三次握手和四次挥手,很多开发者可能都会有这这种误解,认为三次握手和四次挥手都是HTTP协议的,实际上,这是错误的。正确的来说,三次挥手与四次握手是在TCP中进行的。

TCP中的三次握手

首先Client端发送连接请求报文,Server段接受连接后回复ACK报文,并为这次连接分配资源。Client端接收到ACK报文后也向Server段发生ACK报文,并分配资源,这样TCP连接就建立了。 通过下面的图片,我们来详细分析下TCP三次握手

(1)最初两端的TCP进程都处于CLOSED关闭状态,A(Client)主动打开连接,而B(Server)被动打开连接。(A、B关闭状态CLOSED——B收听状态LISTEN——A同步已发送状态SYN-SENT——B同步收到状态SYN-RCVD——A、B连接已建立状态ESTABLISHED)

  • 第一次握手:起初两端都处于CLOSED关闭状态,A(Client)将标志位SYN置为1,随机产生一个值seq=x,并将该数据包发送给B(Server),A(Client)进入SYN-SENT状态,等待B(Server)确认;
  • 第二次握手:B(Server)收到连接请求报文段后,如同意建立连接,则向A(Client)发送确认,在确认报文段中(SYN=1,ACK=1,确认号ack=x+1,初始序号seq=y),B(Server)TCP服务器进程进入SYN-RCVD(同步收到)状态;
  • 第三次握手:TCP客户进程收到B(Server)的确认后,要向B(Server)给出确认报文段(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。TCP连接已经建立,A进入ESTABLISHED(已建立连接)。 当B收到A的确认后,也进入ESTABLISHED状态。

(2)总结三次握手过程:

  • 第一次握手:起初两端都处于CLOSED关闭状态,Client将标志位SYN置为1,随机产生一个值seq=x,并将该数据包发送给Server,Client进入SYN-SENT状态,等待Server确认;
  • 第二次握手:Server收到数据包后由标志位SYN=1得知Client请求建立连接,Server将标志位SYN和ACK都置为1,ack=x+1,随机产生一个值seq=y,并将该数据包发送给Client以确认连接请求,Server进入SYN-RCVD状态,此时操作系统为该TCP连接分配TCP缓存和变量;
  • 第三次握手:Client收到确认后,检查ack是否为x+1,ACK是否为1,如果正确则将标志位ACK置为1,ack=y+1,并且此时操作系统为该TCP连接分配TCP缓存和变量,并将该数据包发送给Server,Server检查ack是否为y+1,ACK是否为1,如果正确则连接建立成功,Client和Server进入ESTABLISHED状态,完成三次握手,随后Client和Server就可以开始传输数据。

起初A和B都处于CLOSED状态——B创建TCB,处于LISTEN状态,等待A请求——A创建TCB,发送连接请求(SYN=1,seq=x),进入SYN-SENT状态——B收到连接请求,向A发送确认(SYN=ACK=1,确认号ack=x+1,初始序号seq=y),进入SYN-RCVD状态——A收到B的确认后,给B发出确认(ACK=1,ack=y+1,seq=x+1),A进入ESTABLISHED状态——B收到A的确认后,进入ESTABLISHED状态。 TCB传输控制块Transmission Control Block,存储每一个连接中的重要信息,如TCP连接表,到发送和接收缓存的指针,到重传队列的指针,当前的发送和接收序号。 (3)为什么A还要发送一次确认呢?可以二次握手吗?

主要为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了B,因而产生错误。如A发出连接请求,但因连接请求报文丢失而未收到确认,于是A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,A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B,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B,此时B误认为A又发出一次新的连接请求,于是就向A发出确认报文段,同意建立连接,不采用三次握手,只要B发出确认,就建立新的连接了,此时A不理睬B的确认且不发送数据,则B一致等待A发送数据,浪费资源。

(4)Server端易受到SYN攻击?

服务器端的资源分配是在二次握手时分配的,而客户端的资源是在完成三次握手时分配的,所以服务器容易受到SYN洪泛攻击,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则回复确认包,并等待Client确认,由于源地址不存在,因此Server需要不断重发直至超时,这些伪造的SYN包将长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,从而引起网络拥塞甚至系统瘫痪。

防范SYN攻击措施:降低主机的等待时间使主机尽快的释放半连接的占用,短时间受到某IP的重复SYN则丢弃后续请求。

TCP中的四次挥手

(1)四次挥手的详述   假设Client端发起中断连接请求,也就是发送FIN报文。Server端接到FIN报文后,意思是说"我Client端没有数据要发给你了",但是如果你还有数据没有发送完成,则不必急着关闭Socket,可以继续发送数据。所以你先发送ACK,"告诉Client端,你的请求我收到了,但是我还没准备好,请继续你等我的消息"。这个时候Client端就进入FIN_WAIT状态,继续等待Server端的FIN报文。当Server端确定数据已发送完成,则向Client端发送FIN报文,"告诉Client端,好了,我这边数据发完了,准备好关闭连接了"。Client端收到FIN报文后,"就知道可以关闭连接了,但是他还是不相信网络,怕Server端不知道要关闭,所以发送ACK后进入TIME_WAIT状态,如果Server端没有收到ACK则可以重传。“,Server端收到ACK后,"就知道可以断开连接了"。Client端等待了2MSL后依然没有收到回复,则证明Server端已正常关闭,那好,我Client端也可以关闭连接了。Ok,TCP连接就这样关闭了! 通过下面的图片,我们来详细分析下TCP四次挥手。

数据传输结束后,通信的双方都可释放连接,A和B都处于ESTABLISHED状态。(A、B连接建立状态ESTABLISHED——A进入等待1状态FIN-WAIT-1——B关闭等待状态CLOSE-WAIT——A进入等待2状态FIN-WAIT-2——B最后确认状态LAST-ACK——A时间等待状态TIME-WAIT——B、A关闭状态CLOSED)

A的应用进程先向其TCP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-WAIT-1(终止等待1)状态,等待B的确认。 B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),B进入CLOSE-WAIT(关闭等待)状态,此时的TCP处于半关闭状态,A到B的连接释放。 A收到B的确认后,进入FIN-WAIT-2(终止等待2)状态,等待B发出的连接释放报文段。 B没有要向A发出的数据,B发出连接释放报文段(FIN=1,ACK=1,序号seq=w,确认号ack=u+1),B进入LAST-ACK(最后确认)状态,等待A的确认。 A收到B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),A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,A才进入CLOSED状态。

(2)总结四次挥手过程:

起初A和B处于ESTABLISHED状态——A发出连接释放报文段并处于FIN-WAIT-1状态——B发出确认报文段且进入CLOSE-WAIT状态——A收到确认后,进入FIN-WAIT-2状态,等待B的连接释放报文段——B没有要向A发出的数据,B发出连接释放报文段且进入LAST-ACK状态——A发出确认报文段且进入TIME-WAIT状态——B收到确认报文段后进入CLOSED状态——A经过等待计时器时间2MSL后,进入CLOSED状态。

(3)为什么A在TIME-WAIT状态必须等待2MSL的时间?(MSL最长报文段寿命Maximum Segment Lifetime,MSL=2)

原因:

  • 保证A发送的最后一个ACK报文段能够到达B。这个ACK报文段有可能丢失,使得处于LAST-ACK状态的B收不到对已发送的FIN+ACK报文段的确认,B超时重传FIN+ACK报文段,而A能在2MSL时间内收到这个重传的FIN+ACK报文段,接着A重传一次确认,重新启动2MSL计时器,最后A和B都进入到CLOSED状态,若A在TIME-WAIT状态不等待一段时间,而是发送完ACK报文段后立即释放连接,则无法收到B重传的FIN+ACK报文段,所以不会再发送一次确认报文段,则B无法正常进入到CLOSED状态。
  • 防止“已失效的连接请求报文段”出现在本连接中。A在发送完最后一个ACK报文段后,再经过2MSL,就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失,使下一个新的连接中不会出现这种旧的连接请求报文段。

(4)为什么连接的时候是三次握手,关闭的时候却是四次握手?

因为当Server端收到Client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Server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Client端,"你发的FIN报文我收到了"。只有等到我Server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。故需要四步握手。

(5)为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态?

虽然按道理,四个报文都发送完毕,我们可以直接进入CLOSE状态了,但是我们必须假象网络是不可靠的,有可能最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。

(6)优化,我们可以通过修改系统参数来优化服务器

tcp_tw_reuse: 是否重用处于TIME_WAIT状态的TCP链接 (设为true) tcp_max_tw_buckets: 处于TIME_WAIT状态的SOCKET最大数目 (调大,这个参数千万不要调小了) tcp_fin_timeout: 处于FIN_WAIT_2的时间 (调小)

作者:鲍康霖 著作权归作者所有。转载请联系作者获得授权。

原文发布于微信公众号 - 我就是马云飞(coding_ma)

原文发表时间:2018-06-15

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