TCP建立連線三次握手和釋放連線四次握手

pan_jinquan發表於2016-09-14
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TCP建立連線三次握手和釋放連線四次握手

    【尊重原創，轉載請註明出處】http://blog.csdn.net/guyuealian/article/details/52535294
     在談及TCP建立連線和釋放連線過程，先來簡單認識一下TCP報文段首部格式的的幾個名詞（這裡只是簡單說明，具體請檢視相關教程）

    序列號seq：佔4個位元組，用來標記資料段的順序，TCP把連線中傳送的所有資料位元組都編上一個序號，第一個位元組的編號由本地隨機產生；給位元組編上序號後，就給每一個報文段指派一個序號；序列號seq就是這個報文段中的第一個位元組的資料編號。
    確認號ack：佔4個位元組，期待收到對方下一個報文段的第一個資料位元組的序號；序列號表示報文段攜帶資料的第一個位元組的編號；而確認號指的是期望接收到下一個位元組的編號；因此當前報文段最後一個位元組的編號+1即為確認號。
    確認ACK：佔1位，僅當ACK=1時，確認號欄位才有效。ACK=0時，確認號無效
    同步SYN：連線建立時用於同步序號。當SYN=1，ACK=0時表示：這是一個連線請求報文段。若同意連線，則在響應報文段中使得SYN=1，ACK=1。因此，SYN=1表示這是一個連線請求，或連線接受報文。SYN這個標誌位只有在TCP建產連線時才會被置1，握手完成後SYN標誌位被置0。
    終止FIN：用來釋放一個連線。FIN=1表示：此報文段的傳送方的資料已經傳送完畢，並要求釋放運輸連線
    PS：ACK、SYN和FIN這些大寫的單詞表示標誌位，其值要麼是1，要麼是0；ack、seq小寫的單詞表示序號。
一、TCP建立連線三次握手
（1）、三次握手的過程
   1）主機A向主機B傳送TCP連線請求資料包，其中包含主機A的初始序列號seq(A)=x。（其中報文中同步標誌位SYN=1，ACK=0，表示這是一個TCP連線請求資料包文；序號seq=x，表明傳輸資料時的第一個資料位元組的序號是x）；
   2）主機B收到請求後，會發回連線確認資料包。（其中確認報文段中，標識位SYN=1，ACK=1，表示這是一個TCP連線響應資料包文，並含主機B的初始序列號seq(B)=y，以及主機B對主機A初始序列號的確認號ack(B)=seq(A)+1=x+1）
   3）第三次，主機A收到主機B的確認報文後，還需作出確認，即傳送一個序列號seq(A)=x+1；確認號為ack(A)=y+1的報文；
（2）為什麼需要第三次握手?
     還要再傳送一次確認是為了，防止已失效的連線請求報文段突然又傳到了B，因而產生錯誤。
     已失效的報文段：正常情況下：A發出連線請求，但因為丟失了，故而不能收到B的確認。於是A重新發出請求，然後收到確認，建立連線，資料傳輸完畢後，釋放連線，A發了2個，一個丟掉，一個到達，沒有“已失效的報文段”
     但是，某種情況下，A的第一個在某個節點滯留了，延誤到達，本來這是一個早已失效的報文段，但是在A傳送第二個，並且得到B的回應，建立了連線以後，這個報文段竟然到達了，於是B就認為，A又傳送了一個新的請求，於是傳送確認報文段，同意建立連線，假若沒有三次的握手，那麼這個連線就建立起來了（有一個請求和一個回應），此時，A收到B的確認，但A知道自己並沒有傳送建立連線的請求，因為不會理睬B的這個確認，於是呢，A也不會傳送任何資料，而B呢卻以為新的連線建立了起來，一直等待A傳送資料給自己，此時B的資源就被白白浪費了。但是採用三次握手的話，A就不傳送確認，那麼B由於收不到確認，也就知道並沒有要求建立連線。
     簡而言之：第三次握手，主機A傳送一次確認是為了防止：如果客戶端遲遲沒有收到伺服器返回的確認報文，這時他會放棄連線，重新啟動一條連線請求；但問題是：伺服器不知客戶端沒收到，所以他會收到兩個連線請求，白白浪費了一條連線開銷。

二、TCP釋放連線四次握手
（1）四次握手過程
　　假設主機A為客戶端，主機B為伺服器，其釋放TCP連線的過程如下：
    1） 關閉客戶端到伺服器的連線：首先客戶端A傳送一個FIN，用來關閉客戶到伺服器的資料傳送，然後等待伺服器的確認。其中終止標誌位FIN=1，序列號seq=u
 　 2） 伺服器收到這個FIN，它發回一個ACK，確認號ack為收到的序號加1。
  　3） 關閉伺服器到客戶端的連線：也是傳送一個FIN給客戶端。
 　 4） 客戶段收到FIN後，併發回一個ACK報文確認，並將確認序號seq設定為收到序號加1。
     首先進行關閉的一方將執行主動關閉，而另一方執行被動關閉。

    　主機A傳送FIN後，進入終止等待狀態， 伺服器B收到主機A連線釋放報文段後，就立即給主機A傳送確認，然後伺服器B就進入close-wait狀態，此時TCP伺服器程式就通知高層應用程式，因而從A到B的連線就釋放了。此時是“半關閉”狀態。即A不可以傳送給B，但是B可以傳送給A。
　　此時，若B沒有資料包要傳送給A了，其應用程式就通知TCP釋放連線，然後傳送給A連線釋放報文段，並等待確認。A傳送確認後，進入time-wait，注意，此時TCP連線還沒有釋放掉，然後經過時間等待計時器設定的2MSL後，A才進入到close狀態。

（2）為什麼要等待2MSL呢?
    MSL即Maximum Segment Lifetime，也就是最大報文生存時間，他是任何報文在網路上存在的最長時間，超過這個時間報文將被丟棄。引用《TCP/IP詳解》中的話：“它(MSL)是任何報文段被丟棄前在網路內的最長時間”。RFC 793中規定MSL為2分鐘，實際應用中常用的是30秒，1分鐘和2分鐘等。
    TCP的TIME_WAIT狀態需要等待2MSL，當TCP的一端發起主動關閉，在發出最後一個ACK包後，即第3次握手完成後傳送了第四次握手的ACK包後就進入了TIME_WAIT狀態，必須在此狀態上停留兩倍的MSL時間，等待2MSL時間主要目的是怕最後一個ACK包對方沒收到，那麼對方在超時後將重發第三次握手的FIN包，主動關閉端接到重發的FIN包後可以再發一個ACK應答包。在TIME_WAIT狀態時兩端的埠不能使用，要等到2MSL時間結束才可繼續使用。當連線處於2MSL等待階段時任何遲到的報文段都將被丟棄。不過在實際應用中可以通過設定SO_REUSEADDR選項達到不必等待2MSL時間結束再使用此埠。
    概括原因如下：
    ①、為了保證A傳送的最後一個ACK報文段能夠到達B。即最後這個確認報文段很有可能丟失，那麼B會超時重傳，然後A再一次確認，同時啟動2MSL計時器，如此下去。如果沒有等待時間，傳送完確認報文段就立即釋放連線的話，B就無法重傳了（連線已被釋放，任何資料都不能出傳了），因而也就收不到確認，就無法按照步驟進入CLOSE狀態，即必須收到確認才能close。
    ②、防止“已失效的連線請求報文段”出現在連線中。經過2MSL，那些在這個連線持續的時間內，產生的所有報文段就可以都從網路中消失。即在這個連線釋放的過程中會有一些無效的報文段滯留在樓閣結點，但是呢，經過2MSL這些無效報文段就肯定可以傳送到目的地，不會滯留在網路中。這樣的話，在下一個連線中就不會出現上一個連線遺留下來的請求報文段了。
可以看出：B結束TCP連線的時間比A早一點，因為B收到確認就斷開連線了，而A還得等待2MSL.

（3）為什麼TCP釋放連線需要四次？
      TCP建立連線要進行三次握手，而斷開連線要進行四次。這是由於TCP的半關閉造成的。因為TCP連線是全雙工的(即資料可在兩個方向上同時傳遞)所以進行關閉時每個方向上都要單獨進行關閉。這個單方向的關閉就叫半關閉。當一方完成它的資料傳送任務，就傳送一個FIN來向另一方通告將要終止這個方向的連線。
     注意：
     1）傳送了FIN只是表示這端不能繼續傳送資料(應用層不能再呼叫send傳送)，但是還可以接收資料。收到一個 FIN只意味著這一方向上沒有資料流動，一個TCP連線在收到一個FIN後仍能傳送資料，比如：如主機A收到主機B的FIN斷開TCP連線請求，只是表示主機B已經傳送完資料，主機A收到FIN後作出應答，並終止這個方向的資料傳輸，此時處於半關閉狀態。但是主機A仍然可以傳送資料的，只有當主機A傳送完資料併傳送FIN給主機B時，主機B才停止這個方向的資料傳輸，並關閉TCP連線。
     2）在很多時候，TCP連線的斷開都會由TCP層自動進行，例如你CTRL+C終止你的程式，TCP連線依然會正常關閉，你可以寫程式碼試試。





參考資料：
《TCP協議三次握手連線四次握手斷開和DOS攻擊》http://blog.csdn.net/fw0124/article/details/7452695

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