TCP 連線管理

言技發表於2018-12-13
TCP

概述

  TCP是面向連線的協議。運輸連線是用來傳輸報文的。運輸連線的建立和釋放在每一次通訊中是必不可少的內容。因此運輸連線分為三個階段：建立連線、傳輸資料和釋放連結。運輸管理就是保證每一步都能正常執行。

在TCP 連線的建立過程主要解決三個問題：

  1. 要使每一方都能夠知道對方的存在
  2. 要允許雙方協商一些引數（如視窗最大值、是否使用視窗擴大選項和時間戳等）
  3. 能夠對運輸實體資源（如快取大小、連線表中的專案等）進行分配。

一、TCP 連線的建立

在這裡插入圖片描述

TCP 的連線建立，我們常常稱為三次握手。

A：您好，我是A。

B：您好，我是B

A：您好B。

連線過程

假設A 為客戶端（上圖左），B 為服務端（右）

  1. 一開始A、B 均為關閉狀態。B先開啟伺服器，建立傳輸控制塊TCB。準備接受連線請求，然後處於LISTEN 狀態。等待使用者連線請求並作出響應。

TCB:（Transmission Control Block，儲存了每一個連線中的一些重要資訊，如：TCP 連線表，指向傳送和接受快取的指標，指向重傳佇列的指標，當前傳送和接受序號等等）

  1. A 也是先建立連線控制模組TCB 。然後A 向B 傳送請求報文段，這時首部中的同部位SYN = 1，同時選擇一個初始序號 seq = x。TCP 規定，SYN 報文段不能攜帶資料，但要消耗掉一個序號。然後客戶端進入SYN-SEND （同步已傳送）狀態。
  2. B 接受到A 的連線請求後，如果同意連線需要給S 傳送確認。確認報文段ACK 置為1，確認號ack = x+1，同時選擇一個自己的初始序號seq = y。請注意這個報文段也不能傳輸資料，但也要消耗一個序號。這是B 進入SYN-RCVD （同步收到）狀態。
  3. A 收到B 的確認後，需要傳送一個確認給B。確認報文段ACK 置為1，確認號ack = y + 1，而自己的序號seq = x + 1，。TCP 規定，ACk 報文段可以新增資料。但如果沒有新增資料則不消耗序號。這時，TCP 連線已經建立，A 進入ESTABLISHED （已經建立連線）狀態。
  4. B 收到 A 的確認也進入ESTABLISHED （已經建立連線）狀態。

為什麼TCP 是三次握手？

假設A B 只用兩次握手就建立連線。

當A 第一次傳送給B 連線請求時，如果遲遲得不到迴應，A會再次傳送連線請求。那麼現在網路中有兩次請求，一般情況下第一次請求掛掉了，那麼B 收到第二次請求，然後迴應A，連線建立，沒毛病。但是第一次請求可能只是滯後了，假設AB斷開連線後，B 又收到了第一次請求，又會嘗試建立連線，但是A 會覺得自己沒有嘗試建立連線，從而拒絕B。因為是兩次握手，B 會以為自己已經建立連線了，等待A 傳送資料，白白浪費資源。

三次握手就不會出現這個問題，B 在傳送確認後，得不到A 的確認，就會知道這是個過時的請求，知道A 沒有要求建立連線。

二、TCP 連線釋放

在這裡插入圖片描述
好了，說完了連線，接下來說一說“拜拜”，好說好散。這常被稱為四次揮手。

A：B 啊，我不想玩了。

B：哦，你不想玩了啊，我知道了。

這個時候，還只是 A 不想玩了，也即 A 不會再傳送資料，但是 B 能不能在 ACK 的時候，直接關閉呢？當然不可以了，，很有可能 A 是發完了最後的資料就準備不玩了，但是 B 還沒做完自己的事情，還是可以傳送資料的，所以稱為半關閉的狀態。

這個時候 A 等待 B 也主動關閉。

B：A 啊，好吧，我也不玩了，拜拜。

A：好的，拜拜。

釋放連結的過程

首先AB 都處於ESTABLISHED 狀態

  1. A 先傳送連線釋放報文段，並停止傳送資料，主動關閉TCP 連線。A 把連結釋放報文段首部的中止控制位FIN 置為1 ，其序號為seq = u（等於前一個傳輸資料的序號+1）。這是A 進入 FIN-WAIT-1（終止等待連線1）狀態，等待B 的確認。TCP規定，FIN 報文段即使不攜帶資料，也會消耗一個序號。
  2. B 收到A 的連線釋放報文段後發出確認。確認號ack = u + 1，而報文段自己的序號seq = v(等於前一個傳輸資料的序號+1)。然後B 進入CLOSED-WAIT（關閉等待）狀態，這是A->B方向的連線就已經斷開了，TCP 連線處於半關閉狀態.
  3. A 收到B 的確認後，進入FIN-WAIT-2（終止等待2）狀態，等待B 傳送釋放報文段。
  4. 若B 傳送完資料後，向A 傳送TCP 釋放報文段。FIN 置為1 ，先假設序號seq = w （B可能又傳送了一些資料），B 還必須重複上次已經傳送的確認號ack = u + 1。這是B 進入LAST-ACK（最後確認）狀態，等待A 的確認。
  5. A 在收到連線釋放報文段後傳送確認。在確認報文段中把ACK 置為1 ，確認號ack = w + 1，而自己的序號seq = u + 1(TCP 規定，前面傳送過的FIN 報文段要消耗一個序號)。然後進入到TIME-WAIT（時間等待）狀態。
  6. 現在TCP 連線還沒有斷掉。必須經過時間等待計時器（TIME-WAIT time）設定的2MSL時間過後，A 才進入到CLOSED 狀態。

MSL(Maximum Segment Lifetimr)最長報文生存時間，RFC793 建議為2 分鐘。

  1. B 收到A 的ACK 後進入CLOSED 狀態

為什麼A 在TIME-WAIT 必須等待2MSL時間？

  1. 為了保證A 傳送的最後一個ACK 報文段能夠到達B。
  2. 防止已失效的連線請求報文段出現在本連結中。A 在傳送完最後一個ACK 後，在經過2MSL 的等待時間可以保證本連結持續時間內傳送的報文在網路中消失。這樣就不會出現舊連線請求出現在新連線請求裡面的情況

TCP 保活計時器

除了時間等待器外，TCP 還設有一個保活計時器（keepalive timer）。

當客戶與伺服器建立了連線，而客戶出現故障無法響應客戶端時，伺服器就會發一個探測報文，75秒發一個，若連續發10 個客戶端都沒響應，則伺服器端自動關閉連線。保活計時器預設為2 個小時，每收到一次請求重新整理。

TCP 狀態機

在這裡插入圖片描述

參考資料

  • 極客時間：《趣談網路協議》
  • 《計算機網路》

相關文章