tcp为什么要三次握手


作者:大闲人柴毛毛
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TCP三次握手

PS:TCP协议中,主动发起请求的一端称为『客户端』,被动连接的一端称为『服务端』。不管是客户端还是服务端,TCP连接建立完后都能发送和接收数据。

起初,服务器和客户端都为CLOSED状态。在通信开始前,双方都得创建各自的传输控制块(TCB)。
服务器创建完TCB后遍进入LISTEN状态,此时准备接收客户端发来的连接请求。

第一次握手
客户端向服务端发送连接请求报文段。该报文段的头部中SYN=1,ACK=0,seq=x。请求发送后,客户端便进入SYN-SENT状态。

  • PS1:SYN=1,ACK=0表示该报文段为连接请求报文。
  • PS2:x为本次TCP通信的字节流的初始序号。
    TCP规定:SYN=1的报文段不能有数据部分,但要消耗掉一个序号。

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:SYN=1,ACK=1,seq=y,ack=x+1。
该应答发送完成后便进入SYN-RCVD状态。

  • PS1:SYN=1,ACK=1表示该报文段为连接同意的应答报文。
  • PS2:seq=y表示服务端作为发送者时,发送字节流的初始序号。
  • PS3:ack=x+1表示服务端希望下一个数据报发送序号从x+1开始的字节。

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段,表示:服务端发来的连接同意应答已经成功收到。
该报文段的头部为:ACK=1,seq=x+1,ack=y+1。
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,此时连接的建立完成!

为什么连接建立需要三次握手,而不是两次握手?
防止失效的连接请求报文段被服务端接收,从而产生错误。

PS:失效的连接请求:若客户端向服务端发送的连接请求丢失,客户端等待应答超时后就会再次发送连接请求,此时,上一个连接请求就是『失效的』。

若建立连接只需两次握手,客户端并没有太大的变化,仍然需要获得服务端的应答后才进入ESTABLISHED状态,而服务端在收到连接请求后就进入ESTABLISHED状态。此时如果网络拥塞,客户端发送的连接请求迟迟到不了服务端,客户端便超时重发请求,如果服务端正确接收并确认应答,双方便开始通信,通信结束后释放连接。此时,如果那个失效的连接请求抵达了服务端,由于只有两次握手,服务端收到请求就会进入ESTABLISHED状态,等待发送数据或主动发送数据。但此时的客户端早已进入CLOSED状态,服务端将会一直等待下去,这样浪费服务端连接资源。

TCP四次挥手

 

TCP连接的释放一共需要四步,因此称为『四次挥手』。
我们知道,TCP连接是双向的,因此在四次挥手中,前两次挥手用于断开一个方向的连接,后两次挥手用于断开另一方向的连接。

第一次挥手
若A认为数据发送完成,则它需要向B发送连接释放请求。该请求只有报文头,头中携带的主要参数为:
FIN=1,seq=u。此时,A将进入FIN-WAIT-1状态。

  • PS1:FIN=1表示该报文段是一个连接释放请求。
  • PS2:seq=u,u-1是A向B发送的最后一个字节的序号。

第二次挥手
B收到连接释放请求后,会通知相应的应用程序,告诉它A向B这个方向的连接已经释放。此时B进入CLOSE-WAIT状态,并向A发送连接释放的应答,其报文头包含:
ACK=1,seq=v,ack=u+1。

  • PS1:ACK=1:除TCP连接请求报文段以外,TCP通信过程中所有数据报的ACK都为1,表示应答。
  • PS2:seq=v,v-1是B向A发送的最后一个字节的序号。
  • PS3:ack=u+1表示希望收到从第u+1个字节开始的报文段,并且已经成功接收了前u个字节。

A收到该应答,进入FIN-WAIT-2状态,等待B发送连接释放请求。

第二次挥手完成后,A到B方向的连接已经释放,B不会再接收数据,A也不会再发送数据。但B到A方向的连接仍然存在,B可以继续向A发送数据。

第三次挥手
当B向A发完所有数据后,向A发送连接释放请求,请求头:FIN=1,ACK=1,seq=w,ack=u+1。B便进入LAST-ACK状态。

第四次挥手
A收到释放请求后,向B发送确认应答,此时A进入TIME-WAIT状态。该状态会持续2MSL时间,若该时间段内没有B的重发请求的话,就进入CLOSED状态,撤销TCB。当B收到确认应答后,也便进入CLOSED状态,撤销TCB。

为什么A要先进入TIME-WAIT状态,等待2MSL时间后才进入CLOSED状态?
为了保证B能收到A的确认应答。
若A发完确认应答后直接进入CLOSED状态,那么如果该应答丢失,B等待超时后就会重新发送连接释放请求,但此时A已经关闭了,不会作出任何响应,因此B永远无法正常关闭

 
 
之所以存在 3-way hanshake 的说法,是因为 TCP 是双向通讯协议,作为响应一方(Responder) 要想初始化发送通道,必须也进行一轮 SYN + ACK。由于 SYN ACK 在 TCP 分组头部是两个标识位,因此处于优化目的被合并了。所以达到双方都能进行收发的状态只需要 3 个分组

在谢希仁著《计算机网络》第四版中讲“三次握手”的目的是“为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端,因而产生错误”。在另一部经典的《计算机网络》一书中讲“三次握手”的目的是为了解决“网络中存在延迟的重复分组”的问题。这两种不用的表述其实阐明的是同一个问题。
谢希仁版《计算机网络》中的例子是这样的,“已失效的连接请求报文段”的产生在这样一种情况下:client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失,而是在某个网络结点长时间的滞留了,以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。本来这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后,就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。于是就向client发出确认报文段,同意建立连接。假设不采用“三次握手”,那么只要server发出确认,新的连接就建立了。由于现在client并没有发出建立连接的请求,因此不会理睬server的确认,也不会向server发送数据。但server却以为新的运输连接已经建立,并一直等待client发来数据。这样,server的很多资源就白白浪费掉了。采用“三次握手”的办法可以防止上述现象发生。例如刚才那种情况,client不会向server的确认发出确认。server由于收不到确认,就知道client并没有要求建立连接。

 


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