logo头像

小时候,哭是我们解决问题的绝招。长大后,笑是我们面对现实的武器。

TCP三次握手和四次握手

唠叨几句

笔者最近在进行跳槽的前期准备,把基础知识重新温故了一遍,整理了一篇Java面试圣经,估计很多人看到都会望而却步,停止跳槽的步伐 😅

这篇文章不仅适用于即将准备跳槽的Java程序猿朋友,也同样适用于希望扩充自己知识面的Java开发者。

Java面试圣经,网络协议这一块属于进阶篇,属于基础偏上的内容。在本文中我们会深入学习下TCP协议

TCP协议

说到TCP协议,大家应该能联想到TCP/IP,这是互联网世界中非常重要的一个名词。TCP/IP不是一个协议,而是一个协议族的统称。里面包括了IP协议、IMCP协议、TCP协议,以及我们更加熟悉的http、ftp、pop3协议等等。

本文我们主要介绍TCP协议,TCP 用于应用程序之间的通信。

当应用程序希望通过 TCP 与另一个应用程序通信时,它会发送一个通信请求。这个请求必须被送到一个确切的地址。在双方“握手”之后,TCP 将在两个应用程序之间建立一个全双工 (full-duplex) 的通信。

这个全双工的通信将占用两个计算机之间的通信线路,直到它被一方或双方关闭为止。

下面就来详细介绍TCP如何在计算机之间通信的。

TCP三次握手

TCP 三次握手就好比两个人在街上隔着50米看见了对方,但是因为雾霾等原因不能100%确认,所以要通过招手的方式相互确定对方是否认识自己。

三次握手

上图包括两部分:建立链接、传输数据

第一次握手

客户端发送SYN包(seq=x)到服务器,并进入SYN_SEND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,必须确认客户端的SYN(ACK=x+1),同时自己也发送一个SYN包(seq=y),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

最后通过动画演示一下

三次握手

传输数据过程

1.超时重传

超时重传机制用来保证TCP传输的可靠性。每次发送数据包时,发送的数据报都有seq号,接收端收到数据后,会回复ack进行确认,表示某一seq 号数据已经收到。发送方在发送了某个seq包后,等待一段时间,如果没有收到对应的ack回复,就会认为报文丢失,会重传这个数据包。

2.快速重传

接受数据一方发现有数据包丢掉了。就会发送ack报文告诉发送端重传丢失的报文。如果发送端连续收到标号相同的ack包,则会触发客户端的快速重 传。比较超时重传和快速重传,可以发现超时重传是发送端在傻等超时,然后触发重传;而快速重传则是接收端主动告诉发送端数据没收到,然后触发发送端重传。

3.流量控制

这里主要说TCP滑动窗流量控制。TCP头里有一个字段叫Window,又叫Advertised-Window,这个字段是接收端告诉发送端自己 还有多少缓冲区可以接收数据。于是发送端就可以根据这个接收端的处理能力来发送数据,而不会导致接收端处理不过来。 滑动窗可以是提高TCP传输效率的一种机制。

4.拥塞控制

滑动窗用来做流量控制。流量控制只关注发送端和接受端自身的状况,而没有考虑整个网络的通信情况。拥塞控制,则是基于整个网络来考虑的。考虑一下这 样的场景:某一时刻网络上的延时突然增加,那么,TCP对这个事做出的应对只有重传数据,但是,重传会导致网络的负担更重,于是会导致更大的延迟以及更多 的丢包,于是,这个情况就会进入恶性循环被不断地放大。试想一下,如果一个网络内有成千上万的TCP连接都这么行事,那么马上就会形成“网络风 暴”,TCP这个协议就会拖垮整个网络。为此,TCP引入了拥塞控制策略。拥塞策略算法主要包括:慢启动,拥塞避免,拥塞发生,快速恢复。

TCP四次握手

四次握手

第一次握手

客户端进程发起连接释放报文,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。

第二次握手

服务器收到连接释放报文,发送确认报文,ACK=1,ack=u+1,并且带上自己的序列号seq=v,此时,服务器进入CLOSE-WAIT(关闭等待)状态。TCP服务器通知高层的应用程序,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,客户端依然要接收。这个状态还要持续一段时间,也就是CLOSE-WAIT状态持续的时间。

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)。

第三次握手

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。

第四次握手

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=u+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

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。

最后通过动画演示一下

四次握手

常见面试题

为什么连接的时候是三次握手,关闭的时候是四次握手?

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。

为什么不能用两次握手进行连接?

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S和C之间的通信,假定C给S发送一个连接请求分组,S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,S认为连接已经成功地建立了,可以开始发送数据分组。可是,C在S的应答分组在传输中被丢失的情况下,将不知道S 是否已准备好,不知道S建立什么样的序列号,C甚至怀疑S是否收到自己的连接请求分组。在这种情况下,C认为连接还未建立成功,将忽略S发来的任何数据分 组,只等待连接确认应答分组。而S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。

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。

End

在我近期学习的过程中,我发现通过亲自画图的方式边学边理解,印象会更深刻。

故:接下来在我的文章中我都会尽可能挂上图片,提供给读者清俗易懂的文章,希望大家继续关注我的博客