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以女朋友為例講解 TCP/IP 三次握手與四次揮手

背景

和女朋友異地戀一年多,為了保持感情我提議每天晚上視頻聊天一次。

從好上開始,到現在,一年多也算堅持下來了。

問題

有時候聊天的過程中,我的網絡或者她的網絡可能會不好,視頻就會卡住,聽不到對方的聲音,過一會兒之後才會恢復。

中間雙方可能就要不斷的確認網絡是否恢復,但是有時候會:

她:“你可以聽到了嗎?”

我:“可以了,你呢?”、

她:“喂喂,你可以聽到了嗎?”

我:“可以了,我可以聽到了,你呢?”

她:“你可以聽到了嗎?”

…..

這種情況很蛋疼,那麼怎樣才能找一個簡單的辦法,讓兩個人都確認自己可以聽到對方的聲音,對方也可以聽到自己的聲音呢?

註:以下情節純屬虛構

方案

TCP建立連接為什麼是三次握手,而不是兩次或四次?

TCP,名為傳輸控制協議,是一種可靠的傳輸層協議,IP協議號為6。

順便說一句,原則上任何資料傳輸都無法確保絕對可靠,三次握手只是確保可靠的基本需要。

舉個日常例子,打電話時我們對話如下:

對應為客戶端與服務器之間的通信:

於是有瞭如下對話:

我:1+1等於幾?

她:2,2+2等於幾?

我:4

首先兩個人約定協議

1.感覺網絡情況不對的時候,任何一方都可以發起詢問

2.任何情況下,若發起詢問後5秒還沒收到回覆,則認為網絡不通

3.網絡不通的情況下等1min路由器之後再發起詢問

對於我而言,發起 “1+1等於幾”的詢問後

1. 若5s內沒有收到回覆,則認為網絡不通

2. 若收到回覆,則我確認①我能聽到她的訊息 ②她能聽到我的訊息,然後回覆她的問題的答案

對於她而言,當感覺網絡情況不對的時候

1. 若沒有收到我的詢問,則她發起詢問

2. 若收到“1+1等於幾”,則她確認 ①她可以聽到我的訊息,然後回覆我的問題的答案和她的問題“2,2+2等於幾”

3. 若5s內沒有收到我的回覆“4”,則她確認 ②我聽不見她的訊息

4. 若5s內收到了我的回覆“4”,則她確認 ②我可以聽見她的訊息

這樣,如果上面的對話得以完成,就證明雙方都可以確認自己可以聽到對方的聲音,對方也可以聽到自己的聲音!

這個故事可以解釋TCP為什麼要三次握手嗎 … 囧

關於四次揮手

先由客戶端向服務器端發送一個FIN,請求關閉資料傳輸。

當服務器接收到客戶端的FIN時,向客戶端發送一個ACK,其中ack的值等於FIN+SEQ

然後服務器向客戶端發送一個FIN,告訴客戶端應用程式關閉。

當客戶端收到服務器端的FIN是,回覆一個ACK給服務器端。其中ack的值等於FIN+SEQ

為什麼要4次揮手?

確保資料能夠完整傳輸。

當被動方收到主動方的FIN報文通知時,它僅僅表示主動方沒有資料再發送給被動方了。

但未必被動方所有的資料都完整的發送給了主動方,所以被動方不會馬上關閉SOCKET,它可能還需要發送一些資料給主動方後,

再發送FIN報文給主動方,告訴主動方同意關閉連接,所以這裡的ACK報文和FIN報文多數情況下都是分開發送的。

一、TCP報文格式

  TCP報文格式圖:

 

上圖中有幾個欄位需要重點介紹下:

(1)序號:Seq序號,占32位,用來標識從TCP源端向目的端發送的位元組流,發起方發送資料時對此進行標記。

(2)確認序號:Ack序號,占32位,只有ACK標誌位為1時,確認序號欄位才有效,Ack=Seq+1。

(3)標誌位:共6個,即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等,具體含義如下:

(A)URG:緊急指標(urgent pointer)有效。

(B)ACK:確認序號有效。

(C)PSH:接收方應該儘快將這個報文交給應用層。

(D)RST:重置連接。

(E)SYN:發起一個新連接。

(F)FIN:釋放一個連接。

需要註意的是:

(A)不要將確認序號Ack與標誌位中的ACK搞混了。

(B)確認方Ack=發起方Req+1,兩端配對。 

二、三次握手

TCP(Transmission Control Protocol) 傳輸控制協議

TCP是主機對主機層的傳輸控制協議,提供可靠的連接服務,採用三次握手確認建立一個連接

位碼即tcp標誌位,有6種標示:

  • SYN(synchronous建立聯機)

  • ACK(acknowledgement 確認)

  • PSH(push傳送)

  • FIN(finish結束)

  • RST(reset重置)

  • URG(urgent緊急)

  • Sequence number(順序號碼)

  • Acknowledge number(確認號碼) 

  • establish  建立,創建

所謂三次握手(Three-Way Handshake)即建立TCP連接,是指建立一個TCP連接時,需要客戶端和服務端總共發送3個包以確認連接的建立。在socket編程中,這一過程由客戶端執行connect來觸發,整個流程如下圖所示:

(1)第一次握手:Client將標誌位SYN置為1,隨機產生一個值seq=J,並將該資料包發送給Server,Client進入SYN_SENT狀態,等待Server確認。

(2)第二次握手:Server收到資料包後由標誌位SYN=1知道Client請求建立連接,Server將標誌位SYN和ACK都置為1,ack (number )=J+1,隨機產生一個值seq=K,並將該資料包發送給Client以確認連接請求,Server進入SYN_RCVD狀態。

(3)第三次握手:Client收到確認後,檢查ack是否為J+1,ACK是否為1,如果正確則將標誌位ACK置為1,ack=K+1,並將該資料包發送給Server,Server檢查ack是否為K+1,ACK是否為1,如果正確則連接建立成功,Client和Server進入ESTABLISHED狀態,完成三次握手,隨後Client與Server之間可以開始傳輸資料了。

SYN攻擊:

在三次握手過程中,Server發送SYN-ACK之後,收到Client的ACK之前的TCP連接稱為半連接(half-open connect),此時Server處於SYN_RCVD狀態,當收到ACK後,Server轉入ESTABLISHED狀態。SYN攻擊就是Client在短時間內偽造大量不存在的IP地址,並向Server不斷地發送SYN包,Server回覆確認包,並等待Client的確認,由於源地址是不存在的,因此,Server需要不斷重發直至超時,這些偽造的SYN包將長時間占用未連接佇列,導致正常的SYN請求因為佇列滿而被丟棄,從而引起網絡堵塞甚至系統癱瘓。SYN攻擊時一種典型的DDOS攻擊,檢測SYN攻擊的方式非常簡單,即當Server上有大量半連接狀態且源IP地址是隨機的,則可以斷定遭到SYN攻擊了,使用如下命令可以讓之現行:

#netstat -nap | grep SYN_RECV

三、四次揮手

三次握手耳熟能詳,四次揮手估計就..所謂四次揮手(Four-Way Wavehand)即終止TCP連接,就是指斷開一個TCP連接時,需要客戶端和服務端總共發送4個包以確認連接的斷開。在socket編程中,這一過程由客戶端或服務端任一方執行close來觸發,整個流程如下圖所示:

由於TCP連接時全雙工的,因此,每個方向都必須要單獨進行關閉,這一原則是當一方完成資料發送任務後,發送一個FIN來終止這一方向的連接,收到一個FIN只是意味著這一方向上沒有資料流動了,即不會再收到資料了,但是在這個TCP連接上仍然能夠發送資料,直到這一方向也發送了FIN。首先進行關閉的一方將執行主動關閉,而另一方則執行被動關閉,上圖描述的即是如此。

(1)第一次揮手:Client發送一個FIN,用來關閉Client到Server的資料傳送,Client進入FIN_WAIT_1狀態。

(2)第二次揮手:Server收到FIN後,發送一個ACK給Client,確認序號為收到序號+1(與SYN相同,一個FIN占用一個序號),Server進入CLOSE_WAIT狀態。

(3)第三次揮手:Server發送一個FIN,用來關閉Server到Client的資料傳送,Server進入LAST_ACK狀態。

(4)第四次揮手:Client收到FIN後,Client進入TIME_WAIT狀態,接著發送一個ACK給Server,確認序號為收到序號+1,Server進入CLOSED狀態,完成四次揮手。

上面是一方主動關閉,另一方被動關閉的情況,實際中還會出現同時發起主動關閉的情況,具體流程如下圖:

流程和狀態在上圖中已經很明瞭了,在此不再贅述,可以參考前面的四次揮手解析步驟。

四、附註

關於三次握手與四次揮手通常都會有典型的面試題,在此提出供有需求的同學們參考:

(1)三次握手是什麼或者流程?四次握手呢?答案前面分析就是。

(2)為什麼建立連接是三次握手,而關閉連接卻是四次揮手呢?

這是因為服務端在LISTEN狀態下,收到建立連接請求的SYN報文後,把ACK和SYN放在一個報文里發送給客戶端。而關閉連接時,當收到對方的FIN報文時,僅僅表示對方不再發送資料了但是還能接收資料,己方也未必全部資料都發送給對方了,所以己方可以立即close,也可以發送一些資料給對方後,再發送FIN報文給對方來表示同意現在關閉連接,因此,己方ACK和FIN一般都會分開發送。

作者:Champin

來源:https://my.oschina.net/u/3708120/blog/1581023

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