面试题:TCP协议三次握手
一、首先了解TCP报文格式
其中必须了解的字段有:
1、源端口与目的端口:16位,标识出发送端与接收端的端口号。
2、序号:32位,也叫顺序号、seg序号,本报文段所发送的数据的第一个字节的序号,用来标记数据报顺序。
3、确认号:32位,ack序号,用来标记期待收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号,确认信号ack=发送过来的seg+1,收发两端配对。
4、标志位:共有6个。
ACK起应答作用,占1位;仅当ACK=1时,确认号字段才有效,ACK=0时,确认号无效。
SYN起同步作用;当SYN=1,ACK=0时表示:这是一个连接请求报文段。若同意连接,则在响应报文段中使得SYN=1,ACK=1。因此,SYN=1表示这是一个连接请求,或连接接受报文。
FIN用来释放一个连接;FIN=1表示:此报文段的发送方的数据已经发送完毕,并要求释放运输连接。
PSH表示接收方应将报文交给应用层,
RST表示连接重置,
URG表示紧急指针,不常用。
二、“三次握手”
概念:所谓“三次握手”就是TCP连接建立的过程,即需要客户端与服务端总共发送三个包(所以着重记忆这三个包就可以了)以确认连接的建立。
意义:通过“三次握手”保证了客户端与服务器建立的是双工连接,而可靠性是更多是通过重发机制实现的。
其它:在Socket编程中,这一过程由客户端执行connect来触发。
流程图如下:
(注:如下出现的ack与ACK标志不能混淆,前者是确认序号,后者是TCP状态标识位应答标识,切记!)
1、第一次握手:客户端发送SYN包(SYN=1,令ack=0,随机产生一个值给seg,seg=X)给服务器端请求连接,客户端进入SYN_SENT,等待服务器端确认。
2、第二次握手:服务器端接收SYN包,由SYN=1知道客户端请求连接,服务器端发送SYN+ACK包(SYN=ACK=1,ack=X+1,随机产生一个值给seg,seg=Y)给客户端确认连接请求,服务器端进入SYN_RCVD状态。
3、第三次握手:客户端收到服务器的SYN+ACK包后,检查ack是否为X+1,ACK标志是否为1,如果正确,发送ACK包(ACK标志置为1,令ack=Y+1),并将该数据包发送给服务器端;服务器端检查ack是否为Y+1,ACK标志是否为1,如果正确则建立连接,客户端与服务器端进入ESTABLISHED状态,完成三次握手,可以开始传输数据了!
三、“四次挥手”
概念:所谓“四次挥手”就是关闭TCP连接的过程,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个包以确认双方连接的断开。
意义:同样是保证TCP连接的全双工连接。
其它: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。
流程图如下:
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包来终止这个方向的连接。收到一个 FIN包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、第一次挥手:客户端发送一个FIN包(FIN=1,随机产生一个值给seg,seg=u)给服务器端,用来关闭客服端到服务器端的数据传输,客户端进入FIN_WAIT_1状态。
2、第二次挥手:服务器端收到FIN包后,发送一个ACK包(ACK=1,ack=u+1,在随机产生一个值给seg,seg=v)给客户端,客户端进入CLOSE_WAIT状态。
3、第三次挥手:服务器端发送一个FIN包(FIN=1,ACK=1,ack=u+1,在随机产生一个值给seg,seg=w)给客户端,用来关闭服务器端到客户端的数据传输,服务器端进入LAST_ACK状态。
4、第四次挥手:客户端接收FIN包,然后进入TIME_WAIT状态,接着发送一个ACK包(ACK=1,seq=u+1,ack=w+1)给服务器端,服务器端确认序号,进入CLOSED状态,完成四次挥手。
上述挥手过程是一方主动,另一方被动,然而有一定可能性是,双方同时主动申请关闭连接,这种情况流程图如下:
同时挥手:
四、其他问题(转载自星宇蓝海的博客http://www.cnblogs.com/cy568searchx/p/3711670.html)
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、状态说明
CLOSED: 这个没什么好说的了,表示初始状态。
LISTEN: 这个也是非常容易理解的一个状态,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。
TIME_WAIT: 表示收到了对方的FIN报文,并发送出了ACK报文,就等2MSL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。
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。
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