详述 TCP 的3次握手4次挥手以及常见问题

TCP的概述

• TCP把连接作为最基本的对象，每一条TCP连接都有两个端点，这种断点我们叫作套接字(socket)，它的定义为端口号拼接到IP地址即构成了套接字，例如，若IP地址为192.3.4.16而端口号为80，那么得到的套接字为192.3.4.16:80。

TCP报文首部

• 1．源端口和目的端口，各占2个字节，分别写入源端口和目的端口;
• 2.序号，占4个字节，TCP连接中传送的字节流中的每个字节都按顺序编号。例如，一段报文的序号字段值是301，而携带的数据共有100字段，显然下一个报文段(如果还有的话)的数据序号应该从401开始;
• 3.确认号，占4个字节，是期望收到对方下一个报文的第一个数据字节的序号。例如，B收到了A发送过来的报文，其序列号字段是501，而数据长度是200字节，这表明B正确的收到了A发送的到序号700为止的数据。因此，B期望收到A的下一个数据序号是701,于是B在发送给A的确认报文段中把确认号置为701;
• 4．数据偏移，占4位，它指出TCP报文的数据距离TCP报文段的起始处有多远;
• 5.保留，占6位，保留今后使用，但目前应都位0;
• 6."紧急URG，当URG=1，表明紧急指针字段有效。告诉系统此报文段中有紧急数据;
• 7.确认ACK，仅当ACK=1时，确认号字段才有效。TCP规定，在连接建立后所有报文的传输都必须把ACK置1;
• 8、推送PSH，当两个应用进程进行交互式通信时，有时在一端的应用进程希望在键入一个命令后立即就能收到对方的响应，这时候就将PSH=1 ;
• 9.复位RST，当RST=1，表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立连接;
• 10.同步SYN，在连接建立时用来同步序号。当SYN=1，ACK=0，表明是连接请求报文，若同意连接，则响应报文中应该使SYN=1,ACK=1;
• 11.终止FIN，用来释放连接。当FIN=1，表明此报文的发送方的数据已经发送完毕，并且要求释放;12.窗口，占2字节，指的是通知接收方，发送本报文你需要有多大的空间来接受;
• 13.检验和，占2字节，校验首部和数据这两部分;
• 14．紧急指针，占2字节，指出本报文段中的紧急数据的字节数;15.选项，长度可变，定义一些其他的可选的参数。

三次握手过程详解

• 第一次握手:建立连接时，客户端发送syn包(syn=x）到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认;SYN:同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers)
• 第二次握手:服务器收到syn包，必须确认客户的SYN(ack=x+1)，同时自己也发送一个SYN包(syn=y)，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=y+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED (TCP连接成功)状态，完成三次握手

四次挥手过程详解

• 1.客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u(等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1)，此时，客户端进入FIN-WAIT-1(终止等待1）状态。TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
• 2．服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT(关闭等待)状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
• 3.客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2(终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据)。
• 4.服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=W，此时，服务器就进入了LAST-ACK(最后确认）状态，等待客户端的确认。
• 5.客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=uU+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT(时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2*MSL(最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
• 6.服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

常见问题

【问题1】为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手?

• 答: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。

【问题2】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?

• 答: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，有可以最后一个ACK云失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。在Client发送出最后的ACK回复，但该ACK可能丢失。Server如果没有收到ACK，将不断重复发送FIN片段。所以Client不能立即关闭，它必须确认Server接收到了该ACK。Client会在发送出ACK之后进入到TIME_WAIT状态。Client会设置一个计时器，等待2MSL的时间。如果在该时间内再次收到FIN，那么Client会重发ACK并再次等待2MSL。所谓的2MSL是两倍的MSL(Maximum
  Segment
  Lifetime)。MSL指一个片段在网络中最大的存活时间，2MSL就是一个发送和一个回复所需的最大时间。如果直到2MSL，Client都没有再次收到FIN，那么Client推断ACK已经被成功接收，则结束TCP连接。

【问题3】为什么不能用两次握手进行连接?

• 答:3次握手完成两个重要的功能，既要双方做好发送数据的准备工作(双方都知道彼此已准备好)，也要允许双方就初始序列号进行协商，这个序列号在握手过程中被发送和确认。

  现在把三次握手改成仅需要两次握手，死锁是可能发生的。作为例子，考虑计算机A和B之间的通信，假定B给A发送一个连接请求分组，A收到了这个分组，并发送了确认应答分组。按照两次握手的协定，A认为连接已经成功地建立了，可以开始发送数据分组。可是,B在A的应答分组在传输中被丢失的情况下，将不知道$是否已准备好，不知道A建立什么样的序列号，B甚至怀疑A是否收到自己的连接请求分组。在这种情况下，B认为连接还未建立成功，将忽略A发来的任何数据分组，只等待连接确认应答分组。而A在发出的分组超时后，重复发送同样的分组。这样就形成了死锁。

【问题4】如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办?

• TCP还设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75秒钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。