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TCP连接的7次握手详解

(2013-01-10 23:55:16)
标签:

android

java

tcp

握手

7次握手

it

分类: android
TCP(Transmission Control Protocol) 传输控制协议

TCP的7次握手可以理解为3次握手和4次分手。

 

TCP状态转换图,如下:

TCP连接的7次握手详解

   图N多人都知道,排除和定位网络或系统故障大有帮助,但是怎牢牢地这张图刻在中呢?那你就一定要对这张图一个状态,及转换的过程有深刻地认识,不能只停留在一知半解之中。下面对这张图的11种状态详细解释一下,以便加强记忆!不过在这之前,先回顾一下TCP建立连接的三次握手过程,以及关闭连接的四次握手过程。

1、建立连接协议(三次握手)
  1)客户端发送一个带SYN标志的TCP报文到服务器。这是三次握手过程中的报文1

  2) 服务器端回应客户端的,这是三次握手中的第2个报文,这个报文同时带ACK标志和SYN标志。因此它表示对刚才客户端SYN报文的回应;同时又标志SYN给客户端,询问客户端是否准备好进行数据通讯。

  3) 客户必须再次回应服务段一个ACK报文,这是报文段3

2、连接终止协议(四次握手)
   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。

 (1TCP客户端发送一个FIN,用来关闭客户到服务器的数据传送(报文段4)。
 (2) 服务器收到这个FIN,它发回一个ACK,确认序号为收到的序号加1(报文段5)。和SYN一样,一个FIN将占用一个序号。
 (3) 服务器关闭客户端的连接,发送一个FIN给客户端(报文段6)。
 (4) 客户段发回ACK报文确认,并将确认序号设置为收到序号加1(报文段7)。

 

三次握手:

TCP是主机对主机层的传输控制协议,提供可靠的连接服务,采用三次握手确认建立一个连接:
位码即TCP标志位,有6种标志:
    ·SYN(synchronous建立联机)
    ·ACK(acknowledgement 确认)
    ·PSH(push传送)
    ·FIN(finish结束)
    ·RST(reset重置)
    ·URG(urgent紧急)
另:Sequence number(顺序号码) Acknowledge number(确认号码)
 
第一次握手:主机A发送位码为syn=1,随机产生seq number=1234567的数据包到服务器,主机B由SYN=1知道,A要求建立联机;
第二次握手:主机B收到请求后要确认联机信息,向A发送ack number=(主机A的seq+1),syn=1,ack=1,随机产生seq=7654321的包
第三次握手:主机A收到后检查ack number是否正确,即第一次发送的seq number+1,以及位码ack是否为1,若正确,主机A会再发送ack number=(主机B的seq+1),ack=1,主机B收到后确认seq值与ack=1则连接建立成功。
完成三次握手,主机A与主机B开始传送数据。

在TCP/IP协议中,TCP协议提供可靠的连接服务,采用三次握手建立一个连接。
·第一次握手:建立连接时,客户端发送syn包(syn=j)到服务器,并进入SYN_SEND状态,等待服务器确认;
·第二次握手:服务器收到syn包,必须确认客户的SYN(ack=j+1),同时自己也发送一个SYN包(syn=k),即SYN+ACK包,此时服务器 进入SYN_RECV状态;
·第三次握手:客户端收到服务器的SYN+ACK包,向服务器发送确认包ACK(ack=k+1),此包发送完毕,客户端和服务器进入 ESTABLISHED状态,完成三次握手。 完成三次握手,客户端与服务器开始传送数据.
 
实例: 
IP 192.168.1.116.3337 > 192.168.1.123.7788: S 3626544836:3626544836
IP 192.168.1.123.7788 > 192.168.1.116.3337: S 1739326486:1739326486 ack 3626544837
IP 192.168.1.116.3337 > 192.168.1.123.7788: ack 1739326487,ack 1
第一次握手:192.168.1.116发送位码syn=1,随机产生seq number=3626544836的数据包到192.168.1.123,192.168.1.123由SYN=1知道192.168.1.116要求建立联机;
第二次握手:192.168.1.123收到请求后要确认联机信息,向192.168.1.116发送ack number=3626544837,syn=1,ack=1,随机产生seq=1739326486的包;
第 三次握手:192.168.1.116收到后检查ack number是否正确,即第一次发送的seq number+1,以及位码ack是否为1,若正确,192.168.1.116会再发送ack number=1739326487,ack=1,192.168.1.123收到后确认seq=seq+1,ack=1则连接建立成功。
 
图解:
一个三次握手的过程(图1,图2)
http://itbbs.pcshow.net/attachments/2_OHpocNRKJkYF.jpg
(图1)
http://itbbs.pcshow.net/attachments/3_05oO5wmgE1Jf.jpg
(图2)

第一次握手的标志位(图3)
我们可以看到标志位里面只有个同步位,也就是在做请求(SYN)
http://itbbs.pcshow.net/attachments/4_xVYmpL8Sjb75.jpg
(图3)

第二次握手的标志位(图4)
我们可以看到标志位里面有个确认位和同步位,也就是在做应答(SYN + ACK)
http://itbbs.pcshow.net/attachments/5_d1sHCrwWW25u.jpg
(图4)

第三次握手的标志位(图5)
我们可以看到标志位里面只有个确认位,也就是再做再次确认(ACK)
http://itbbs.pcshow.net/attachments/6_b9jDjgHea5cJ.jpg
(图5)

一个完整的三次握手也就是 请求---应答---再次确认
 
四次分手: 
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。这个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A发送一个FIN,用来关闭客户A到服务器B的数据传送(报文段4)。
2)服务器B收到这个FIN,它发回一个ACK,确认序号为收到的序号加1(报文段5)。和SYN一样,一个FIN将占用一个序号。
3)服务器B关闭与客户端A的连接,发送一个FIN给客户端A(报文段6)。
4)客户端A发回ACK报文确认,并将确认序号设置为收到序号加1(报文段7)。
 

大家很明白TCP初始化连接三次握手吧:发SYN包,然后返回SYN/ACK包,再发ACK包,连接正式建立。但是这里有点出入,当请求者收到SYS /ACK包后,就开始建立连接了,而被请求者第三次握手结束后才建立连接。

但是大家明白关闭连接的工作原理吗?

关闭连接要四次握手:发FIN包,ACK 包,FIN包,ACK包,四次握手!!

为什么呢,因为TCP连接是全双工,我关了你的连接,并不等于你关了我的连接。


客户端TCP状态迁移:
CLOSED->SYN_SENT->ESTABLISHED->FIN_WAIT_1->FIN_WAIT_2->TIME_WAIT->CLOSED
服务器TCP状态迁移:
CLOSED->LISTEN->SYN_RECEIVED->ESTABLISHED->CLOSE_WAIT->LAST_ACK->CLOSED

当客户端开始连接时,服务器还处于LISTENING,客户端发一个SYN包后,他就处于SYN_SENT状态,服务器就处于SYS收到状态,然后互相确认进入连接状态ESTABLISHED. 


当客户端请求关闭连接时,客户端发送一个FIN包后,客户端就进入FIN_WAIT_1状态,等待对方的确认包,服务器发送一个ACK包给客户,客户端收到ACK包后结束FIN_WAIT_1状态,进入FIN_WAIT_2状态,等待服务器发过来的关闭请求,服务器发一个FIN包后,进入 CLOSE_WAIT状态,当客户端收到服务器的FIN包,FIN_WAIT_2状态就结束,然后给服务器端的FIN包给以一个确认包,客户端这时进入 TIME_WAIT,当服务器收到确认包后,CLOSE_WAIT状态结束了,这时候服务器端真正的关闭了连接.但是客户端还在TIME_WAIT状态下,什么时候结束呢.我在这里再讲到一个新名词:2MSL等待状态,其实TIME_WAIT就是2MSL等待状态,为什么要设置这个状态,原因是有足够的时间让ACK包到达服务器端,如果服务器端没收到ACK包,超时了,然后重新发一个FIN包,直到服务器收到ACK包,TIME_WAIT状态等待时间是在TCP重新启动后不连接任何请求的两倍。
大家有没有发现一个问题:如果对方在第三次握手的时候出问题,如发FIN包的时候,不知道什么原因丢了这个包,然而这边一直处在FIN_WAIT_2状态,而且TCP/IP并没有设置这个状态的过期时间,那他一直会保留这个状态下去,越来越多的FIN_WAIT_2状态会导致系统崩溃。

上面我碰到的这个问题主要因为TCP的结束流程未走完,造成连接未释放。现设客户端主动断开连接,流程如下

如上图所示,
      Client   消息    Server

       close()
       ------ FIN ------->
       FIN_WAIT1   CLOSE_WAIT(server)
       <----- ACK -------
       FIN_WAIT2 
       close()(server)
       <------ FIN ------ 
       TIME_WAIT   LAST_ACK(server) 

       ------ ACK -------> 
       CLOSED(server)
       CLOSED(client)

由于Server的Socket在客户端已经关闭时而没有调用关闭,造成服务器端的连接处在“挂起”状态,而客户端则处在等待应答的状态上。
此问题的典型特征是:一端处于FIN_WAIT2 ,而另一端处于CLOSE_WAIT。不过,根本问题还是程序写的不好,有待提高

-------------------------------------------------------------------------

CLOSE_WAIT,TCP的癌症,TCP的朋友。

CLOSE_WAIT状态的生成原因
首先我们知道,如果我们的服务器程序APACHE处于CLOSE_WAIT状态的话,说明套接字是被动关闭的!

因为如果是CLIENT端主动断掉当前连接的话,那么双方关闭这个TCP连接共需要四个packet:

Client ---> FIN ---> Server

Client <--- ACK <--- Server

这时候Client端处于FIN_WAIT_2状态;而Server 程序处于CLOSE_WAIT状态。

Client <--- FIN <--- Server

这时Server 发送FIN给Client,Server 就置为LAST_ACK状态。

Client ---> ACK ---> Server

Client回应了ACK,那么Server 的套接字才会真正置为CLOSED状态。

Server 程序处于CLOSE_WAIT状态,而不是LAST_ACK状态,说明还没有发FIN给Client,那么可能是在关闭连接之前还有许多数据要发送或者其他事要做,导致没有发这个FIN packet。

通常来说,一个CLOSE_WAIT会维持至少2个小时的时间。如果有个流氓特地写了个程序,给你造成一堆的CLOSE_WAIT,消耗

你的资源,那么通常是等不到释放那一刻,系统就已经解决崩溃了。

只能通过修改一下TCP/IP的参数,来缩短这个时间:修改tcp_keepalive_*系列参数有助于解决这个问题。

连接进程是通过一系列状态表示的,这些状态有:

LISTEN,SYN-SENT,SYN-RECEIVED,ESTABLISHED,FIN-WAIT-1,FIN-WAIT-2,CLOSE-WAIT,CLOSING,LAST-ACK,TIME-WAIT 和 CLOSED。

各个状态的意义如下:

    CLOSED: 初始状态,表示TCP连接是“关闭着的”或“未打开的”。  

  LISTEN: 表示服务器端的某个SOCKET处于监听状态,可以接受连接了。
 
  SYN_RCVD: 这个状态表示接受到了SYN报文,在正常情况下,这个状态是服务器端的SOCKET在建立TCP连接时的三次握手会话过程中的一个中间状态,很短暂,基本上用netstat你是很难看到这种状态的,除非你特意写了一个客户端测试程序,故意将三次TCP握手过程中最后一个ACK报文不予发送。因此这种状态时,当收到客户端的ACK报文后,它会进入到ESTABLISHED状态。
 
  SYN_SENT: 这个状态与SYN_RCVD遥想呼应,当客户端SOCKET执行CONNECT连接时,它首先发送SYN报文,因此也随即它会进入到了SYN_SENT状态,并等待服务端的发送三次握手中的第2个报文。SYN_SENT状态表示客户端已发送SYN报文。
 
  ESTABLISHED:这个容易理解了,表示连接已经建立了。
 
  FIN_WAIT_1: 这个状态要好好解释一下,其实FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_2状态的真正含义都是表示等待对方的FIN报文。而这两种状态的区别是:FIN_WAIT_1状态实际上是当SOCKET在ESTABLISHED状态时,它想主动关闭连接,向对方发送了FIN报文,此时该SOCKET即进入到FIN_WAIT_1状态。而当对方回应ACK报文后,则进入到FIN_WAIT_2状态,当然在实际的正常情况下,无论对方何种情况下,都应该马上回应ACK报文,所以FIN_WAIT_1状态一般是比较难见到的,而FIN_WAIT_2状态还有时常常可以用netstat看到。
  FIN_WAIT_2:上面已经详细解释了这种状态,实际上FIN_WAIT_2状态下的SOCKET,表示半连接,也即有一方要求close连接,但另外还告诉对方,我暂时还有点数据需要传送给你,稍后再关闭连接。注意:FIN_WAIT_2 没有超时的(不像TIME_WAIT 状态),这种状态下如果对方不关闭(不配合完成4次挥手过程),那这个FIN_WAIT_2 状态将一直保持到系统重启,越来越多的FIN_WAIT_2 状态会导致内核崩溃
  TIME_WAIT: 表示收到了对方的FIN报文,并发送出了ACK报文,就等2*MSL(Max Segment Lifetime,最大分段生存期)后即可回到CLOSED可用状态了。如果FIN_WAIT_1状态下,收到了对方同时带FIN标志和ACK标志的报文时,可以直接进入到TIME_WAIT状态,而无须经过FIN_WAIT_2状态。 等待足够的时间以确保远程TCP接收到连接中断请求的确认; 表示收到了对方的FIN报文,并发送出了ACK报文。
  CLOSING: 这种状态比较特殊,实际情况中应该是很少见,属于一种比较罕见的例外状态。正常情况下,当你发送FIN报文后,按理来说是应该先收到(或同时收到)对方的ACK报文,再收到对方的FIN报文。但是CLOSING状态表示你发送FIN报文后,并没有收到对方的ACK报文,反而却也收到了对方的FIN报文。什么情况下会出现此种情况呢?其实细想一下,也不难得出结论:那就是如果双方几乎在同时close一个SOCKET的话,那么就出现了双方同时发送FIN报文的情况,也即会出现CLOSING状态,表示双方都正在关闭SOCKET连接。
  CLOSE_WAIT: 这种状态的含义其实是表示在等待关闭。怎么理解呢?当对方close一个SOCKET后发送FIN报文给自己,你系统毫无疑问地会回应一个ACK报文给对方,此时则进入到CLOSE_WAIT状态。接下来呢,实际上你真正需要考虑的事情是察看你是否还有数据发送给对方,如果没有的话,那么你也就可以close这个SOCKET,发送FIN报文给对方,也即关闭连接。所以你在CLOSE_WAIT状态下,需要完成的事情是等待你去关闭连接。
  LAST_ACK: 这个状态还是比较容易好理解的,它是被动关闭一方在发送FIN报文后,最后等待对方的ACK报文。当收到ACK报文后,也即可以进入到CLOSED可用状态了。
 
总结:(个人总结,不一定正确)
 
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ACKSYNACK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;但未必你所有的数据都全部发送给对方了,所以你可以未必会马上会关闭SOCKET,也即你可能还需要发送一些数据给对方之后,再发送FIN报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了,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。
 

3、关闭TCP连接一定需要4次挥手吗?

c不一定,4次挥手关闭TCP连接是最安全的做法。但在有些时候,我们不喜欢TIME_WAIT状态(如当MSL数值设置过大导致服务器端有太多TIME_WAIT状态的TCP连接,减少这些条目数可以更快地关闭连接,为新连接释放更多资源),这时我们可以通过设置SOCKET变量的SO_LINGER标志来避免SOCKET在close()之后进入TIME_WAIT状态,这时将通过发送RST强制终止TCP连接(取代正常的TCP四次握手的终止方式)。但这并不是一个很好的主意,TIME_WAIT 对于我们来说往往是有利的。

参考:http://justim.blog.51cto.com/740099/237548 

     http://hi.baidu.com/suxinpingtao51/item/be5f71b3a907dbef4ec7fd0e

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