理論經典:TCP協議的3次握手與4次揮手過程詳解
1、前言
儘管TCP和UDP都使用相同的網路層(IP),TCP卻嚮應用層提供與UDP完全不同的服務。TCP提供一種面向連線的、可靠的位元組流服務。
面向連線意味著兩個使用TCP的應用(通常是一個客戶和一個伺服器)在彼此交換資料之前必須先建立一個TCP連線。這一過程與打電話很相似,先撥號振鈴,等待對方摘機說“喂”,然後才說明是誰。
本文將分別講解經典的TCP協議建立連線(所謂的“3次握手”)和斷開連線(所謂的“4次揮手”)的過程。有關TCP協議的權威理論介紹,請參見《TCP/IP詳解》這本書。(本文同步釋出於:http://www.52im.net/thread-258-1-1.html)
2、學習交流
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– 移動端IM開發推薦文章:《新手入門一篇就夠:從零開發移動端IM》
3、相關資料
《技術往事:改變世界的TCP/IP協議(珍貴多圖、手機慎點)》
《通俗易懂-深入理解TCP協議(下):RTT、滑動視窗、擁塞處理》
4、先來認識TCP報文格式
TCP/IP協議的詳細資訊參看《TCP/IP 協議詳解》中有關TCP格式的章節(點此檢視《TCP/IP詳解 線上版》)。
下面是TCP報文格式圖:
上圖中有幾個欄位需要重點介紹下:
(1)序號:Seq序號,佔32位,用來標識從TCP源端向目的端傳送的位元組流,發起方傳送資料時對此進行標記。
(2)確認序號:Ack序號,佔32位,只有ACK標誌位為1時,確認序號欄位才有效,Ack=Seq+1。
(3)標誌位:共6個,即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等,具體含義如下:
(A)URG:緊急指標(urgent pointer)有效。
(B)ACK:確認序號有效。
(C)PSH:接收方應該儘快將這個報文交給應用層。
(D)RST:重置連線。
(E)SYN:發起一個新連線。
(F)FIN:釋放一個連線。
需要注意的是:
(A)不要將確認序號Ack與標誌位中的ACK搞混了。
(B)確認方Ack=發起方Req+1,兩端配對。
5、3次握手過程詳解
所謂三次握手(Three-Way Handshake)即建立TCP連線,就是指建立一個TCP連線時,需要客戶端和服務端總共傳送3個包以確認連線的建立。在socket程式設計中,這一過程由客戶端執行connect來觸發,整個流程如下圖所示:
(1)第一次握手:
Client將標誌位SYN置為1,隨機產生一個值seq=J,並將該資料包傳送給Server,Client進入SYN_SENT狀態,等待Server確認。
(2)第二次握手:
Server收到資料包後由標誌位SYN=1知道Client請求建立連線,Server將標誌位SYN和ACK都置為1,ack=J+1,隨機產生一個值seq=K,並將該資料包傳送給Client以確認連線請求,Server進入SYN_RCVD狀態。
(3)第三次握手:
Client收到確認後,檢查ack是否為J+1,ACK是否為1,如果正確則將標誌位ACK置為1,ack=K+1,並將該資料包傳送給Server,Server檢查ack是否為K+1,ACK是否為1,如果正確則連線建立成功,Client和Server進入ESTABLISHED狀態,完成三次握手,隨後Client與Server之間可以開始傳輸資料了。
SYN攻擊:
在三次握手過程中,Server傳送SYN-ACK之後,收到Client的ACK之前的TCP連線稱為半連線(half-open connect),此時Server處於SYN_RCVD狀態,當收到ACK後,Server轉入ESTABLISHED狀態。SYN攻擊就是Client在短時間內偽造大量不存在的IP地址,並向Server不斷地傳送SYN包,Server回覆確認包,並等待Client的確認,由於源地址是不存在的,因此,Server需要不斷重發直至超時,這些偽造的SYN包將產時間佔用未連線佇列,導致正常的SYN請求因為佇列滿而被丟棄,從而引起網路堵塞甚至系統癱瘓。SYN攻擊時一種典型的DDOS攻擊,檢測SYN攻擊的方式非常簡單,即當Server上有大量半連線狀態且源IP地址是隨機的,則可以斷定遭到SYN攻擊了,使用如下命令可以讓之現行:
#netstat -nap | grep SYN_RECV
6、4次揮手過程詳解
三次握手耳熟能詳,四次揮手估計就少有人知道了。所謂四次揮手(Four-Way Wavehand)即終止TCP連線,就是指斷開一個TCP連線時,需要客戶端和服務端總共傳送4個包以確認連線的斷開。在socket程式設計中,這一過程由客戶端或服務端任一方執行close來觸發,整個流程如下圖所示:
由於TCP連線時全雙工的,因此,每個方向都必須要單獨進行關閉,這一原則是當一方完成資料傳送任務後,傳送一個FIN來終止這一方向的連線,收到一個FIN只是意味著這一方向上沒有資料流動了,即不會再收到資料了,但是在這個TCP連線上仍然能夠傳送資料,直到這一方向也傳送了FIN。首先進行關閉的一方將執行主動關閉,而另一方則執行被動關閉,上圖描述的即是如此。
第一次揮手:
Client傳送一個FIN,用來關閉Client到Server的資料傳送,Client進入FIN_WAIT_1狀態。
第二次揮手:
Server收到FIN後,傳送一個ACK給Client,確認序號為收到序號+1(與SYN相同,一個FIN佔用一個序號),Server進入CLOSE_WAIT狀態。
第三次揮手:
Server傳送一個FIN,用來關閉Server到Client的資料傳送,Server進入LAST_ACK狀態。
第四次揮手:
Client收到FIN後,Client進入TIME_WAIT狀態,接著傳送一個ACK給Server,確認序號為收到序號+1,Server進入CLOSED狀態,完成四次揮手。
上面是一方主動關閉,另一方被動關閉的情況,實際中還會出現同時發起主動關閉的情況,具體流程如下圖:
流程和狀態在上圖中已經很明瞭了,在此不再贅述,可以參考前面的四次揮手解析步驟。
結語
關於三次握手與四次揮手通常都會有典型的面試題,在此提出供有需求的XDJM們參考:
(1) 三次握手是什麼或者流程?四次握手呢?答案前面分析就是。
(2) 為什麼建立連線是三次握手,而關閉連線卻是四次揮手呢?
這是因為服務端在LISTEN狀態下,收到建立連線請求的SYN報文後,把ACK和SYN放在一個報文裡傳送給客戶端。而關閉連線時,當收到對方的FIN報文時,僅僅表示對方不再傳送資料了但是還能接收資料,己方也未必全部資料都傳送給對方了,所以己方可以立即close,也可以傳送一些資料給對方後,再傳送FIN報文給對方來表示同意現在關閉連線,因此,己方ACK和FIN一般都會分開傳送。
(本文同步釋出於:http://www.52im.net/thread-258-1-1.html)
附錄:更多IM技術文章
[1] 網路程式設計基礎資料:
《Java新一代網路程式設計模型AIO原理及Linux系統AIO介紹》
《NIO框架入門(三):iOS與MINA2、Netty4的跨平臺UDP雙向通訊實戰》
《NIO框架入門(四):Android與MINA2、Netty4的跨平臺UDP雙向通訊實戰》
[2] 有關IM/推送的通訊格式、協議的選擇:
《強列建議將Protobuf作為你的即時通訊應用資料傳輸格式》
[3] 有關IM/推送的心跳保活處理:
《Android端訊息推送總結:實現原理、心跳保活、遇到的問題等》
《微信團隊原創分享:Android版微信後臺保活實戰分享(程式保活篇)》
《微信團隊原創分享:Android版微信後臺保活實戰分享(網路保活篇)》
《移動端IM實踐:WhatsApp、Line、微信的心跳策略分析》
[4] 有關WEB端即時通訊開發:
《Web端即時通訊技術盤點:短輪詢、Comet、Websocket、SSE》
《Comet技術詳解:基於HTTP長連線的Web端實時通訊技術》
《WebSocket詳解(一):初步認識WebSocket技術》
[5] 有關IM架構設計:
《騰訊QQ1.4億線上使用者的技術挑戰和架構演進之路PPT》
[6] 有關IM安全的文章:
《即時通訊安全篇(一):正確地理解和使用Android端加密演算法》
《即時通訊安全篇(四):例項分析Android中金鑰硬編碼的風險》
《傳輸層安全協議SSL/TLS的Java平臺實現簡介和Demo演示》
《理論聯絡實際:一套典型的IM通訊協議設計詳解(含安全層設計)》
《微信新一代通訊安全解決方案:基於TLS1.3的MMTLS詳解》
《來自阿里OpenIM:打造安全可靠即時通訊服務的技術實踐分享》
[7] 有關實時音視訊開發:
《即時通訊音視訊開發(五):認識主流視訊編碼技術H.264》
《即時通訊音視訊開發(九):實時語音通訊的迴音及迴音消除�概述》
《即時通訊音視訊開發(十):實時語音通訊的迴音消除�技術詳解》
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《即時通訊音視訊開發(十六):移動端實時音視訊開發的幾個建議》
《即時通訊音視訊開發(十七):視訊編碼H.264、V8的前世今生》
[8] IM開發綜合文章:
《開源IM工程“蘑菇街TeamTalk”的現狀:一場有始無終的開源秀》
[9] 開源移動端IM技術框架資料:
《開源移動端IM技術框架MobileIMSDK:常見問題解答》
《開源移動端IM技術框架MobileIMSDK:壓力測試報告》
《開源移動端IM技術框架MobileIMSDK:Android版Demo使用幫助》
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《開源移動端IM技術框架MobileIMSDK:iOS客戶端開發指南》
《開源移動端IM技術框架MobileIMSDK:Server端開發指南》
[10] 有關推送技術的文章:
《iOS的推送服務APNs詳解:設計思路、技術原理及缺陷等》
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[11] 更多即時通訊技術好文分類:
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