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TCP协议中的三次握手和四次挥手

phpmianshi5年前 (2016-04-03)运维535

理解:窗口和滑动窗口

TCP的流量控制

TCP使用窗口机制进行流量控制

什么是窗口?

连接建立时,各端分配一块缓冲区用来存储接收的数据,并将缓冲区的尺寸发送给另一端

接收方发送的确认信息中包含了自己剩余的缓冲区尺寸

剩余缓冲区空间的数量叫做窗口

2. TCP的流控过程(滑动窗口)







TCP(Transmission Control Protocol) 传输控制协议

三次握手

TCP是主机对主机层的传输控制协议,提供可靠的连接服务,采用三次握手确认建立一个连接:

位码即tcp标志位,有6种标示:

SYN(synchronous建立联机) 同步报文段

ACK(acknowledgement 确认)

PSH(push传送)

FIN(finish结束) 结束报文段

RST(reset重置) 复位报文段

URG(urgent紧急) 紧急指针

Sequence number(顺序号码)

Acknowledge number(确认号码)

客户端TCP状态迁移:

CLOSED->SYN_SENT->ESTABLISHED->FIN_WAIT_1->FIN_WAIT_2->TIME_WAIT->CLOSED

服务器TCP状态迁移:

CLOSED->LISTEN->SYN收到->ESTABLISHED->CLOSE_WAIT->LAST_ACK->CLOSED


各个状态的意义如下: 

LISTEN - 侦听来自远方TCP端口的连接请求; 

SYN-SENT -在发送连接请求后等待匹配的连接请求; 

SYN-RECEIVED - 在收到和发送一个连接请求后等待对连接请求的确认; 

ESTABLISHED- 代表一个打开的连接,数据可以传送给用户; 

FIN-WAIT-1 - 等待远程TCP的连接中断请求,或先前的连接中断请求的确认;

FIN-WAIT-2 - 从远程TCP等待连接中断请求; 

CLOSE-WAIT - 等待从本地用户发来的连接中断请求; 

CLOSING -等待远程TCP对连接中断的确认; 

LAST-ACK - 等待原来发向远程TCP的连接中断请求的确认; 

TIME-WAIT -等待足够的时间以确保远程TCP接收到连接中断请求的确认; 

CLOSED - 没有任何连接状态;


TCP/IP协议中,TCP协议提供可靠的连接服务,采用三次握手建立一个连接,如图1所示。

(1)第一次握手:建立连接时,客户端A发送SYN包(SYN=j)到服务器B,并进入SYN_SEND状态,等待服务器B确认。

(2)第二次握手:服务器B收到SYN包,必须确认客户A的SYN(ACK=j+1),同时自己也发送一个SYN包(SYN=k),即SYN+ACK包,此时服务器B进入SYN_RECV状态。

(3)第三次握手:客户端A收到服务器B的SYN+ACK包,向服务器B发送确认包ACK(ACK=k+1),此包发送完毕,客户端A和服务器B进入ESTABLISHED状态,完成三次握手。

完成三次握手,客户端与服务器开始传送数据。

确认号:其数值等于发送方的发送序号 +1(即接收方期望接收的下一个序列号)。

图1 TCP三次握手建立连接  



TCP的包头结构:

源端口 16位

目标端口 16位

序列号 32位

回应序号 32位

TCP头长度 4位

reserved 6位

控制代码 6位

窗口大小 16位

偏移量 16位

校验和 16位

选项  32位(可选)

这样我们得出了TCP包头的最小长度,为20字节

  • 第一次握手:

客户端发送一个TCP的SYN标志位置1的包指明客户打算连接的服务器的端口,以及初始序号X,保存在包头的序列号(Sequence Number)字段里。

  • 第二次握手:

服务器发回确认包(ACK)应答。即SYN标志位和ACK标志位均为1同时,将确认序号(Acknowledgement Number)设置为客户的I S N加1以.即X+1。


  • 第三次握手.

客户端再次发送确认包(ACK) SYN标志位为0,ACK标志位为1.并且把服务器发来ACK的序号字段+1,放在确定字段中发送给对方.并且在数据段放写ISN的+1

下面是具体的例子截图:

1.此图包含两部分信息:TCP的三次握手(方框中的内容) (SYN, (SYN+ACK), ACK)

2. TCP的数据传输 ([TCP segment of a reassembled PUD])可以看出,server是将数据TCP层对消息包进行分片传输

(1)Server端收到HTTP请求如GET之后,构造响应消息,其中携带网页内容,在server端的HTTP层发送消息200 OK->server端的TCP层; 

(2)server端的TCP层对消息包进行分片传输; 

(3)client端的TCP层对接收到的各个消息包分片回送响应; 

(4)client端的TCP层每次收到一部分都会用ACK确认,之后server继续传输,client继续确认,直到完成响应消息的所有分片之后,Server发送组合HTTP响应包 200 OK,此时在client端的消息跟踪中才可以显示HTTP 200 OK的消息包


关闭连接:


客户端或服务器均可主动发起挥手动作,在socket编程中,任何一方执行close()操作即可产生挥手操作。

(1)客户端A发送一个FIN,用来关闭客户A到服务器B的数据传送。 

(2)服务器B收到这个FIN,它发回一个ACK,确认序号为收到的序号加1。和SYN一样,一个FIN将占用一个序号。 

(3)服务器B关闭与客户端A的连接,发送一个FIN给客户端A。 

(4)客户端A发回ACK报文确认,并将确认序号设置为收到序号加1。 

TCP采用四次挥手关闭连接如图2所示。



深入理解TCP连接的释放: 


由于TCP连接是全双工的,因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动,一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方执行被动关闭。

TCP协议的连接是全双工连接,一个TCP连接存在双向的读写通道。 

简单说来是 “先关读,后关写”,一共需要四个阶段。以客户机发起关闭连接为例:

1.服务器读通道关闭

2.客户机写通道关闭

3.客户机读通道关闭

4.服务器写通道关闭

关闭行为是在发起方数据发送完毕之后,给对方发出一个FIN(finish)数据段。直到接收到对方发送的FIN,且对方收到了接收确认ACK之后,双方的数据通信完全结束,过程中每次接收都需要返回确认数据段ACK。

详细过程:

    第一阶段   客户机发送完数据之后,向服务器发送一个FIN数据段,序列号为i;

    1.服务器收到FIN(i)后,返回确认段ACK,序列号为i+1,关闭服务器读通道;

    2.客户机收到ACK(i+1)后,关闭客户机写通道;

   (此时,客户机仍能通过读通道读取服务器的数据,服务器仍能通过写通道写数据)

    第二阶段 服务器发送完数据之后,向客户机发送一个FIN数据段,序列号为j;

    3.客户机收到FIN(j)后,返回确认段ACK,序列号为j+1,关闭客户机读通道;

    4.服务器收到ACK(j+1)后,关闭服务器写通道。

这是标准的TCP关闭两个阶段,服务器和客户机都可以发起关闭,完全对称。

FIN标识是通过发送最后一块数据时设置的,标准的例子中,服务器还在发送数据,所以要等到发送完的时候,设置FIN(此时可称为TCP连接处于半关闭状态,因为数据仍可从被动关闭一方向主动关闭方传送)。如果在服务器收到FIN(i)时,已经没有数据需要发送,可以在返回ACK(i+1)的时候就设置FIN(j)标识,这样就相当于可以合并第二步和第三步。

TCP的TIME_WAIT和Close_Wait状态


再问CLOSE_WAIT,TIME_WAIT是什么状态,怎么产生的,对服务有什么影响,如何消除?有一部分同学就回答不上来。不是我扣细节,而是在通讯为主的前端服务器上,必须有能力处理各种TCP状态。比如统计在本厂的一台前端机上高峰时间TCP连接的情况,统计命令:

netstat -n | awk '/^tcp/ {++S[$NF]} END {for(a in S) print a, S[a]}'  


除了ESTABLISHED,可以看到连接数比较多的几个状态是:FIN_WAIT1, TIME_WAIT, CLOSE_WAIT, SYN_RECV和LAST_ACK;下面的文章就这几个状态的产生条件、对系统的影响以及处理方式进行简单描述。


TCP状态

下面看下大家一般比较关心的三种TCP状态

SYN_RECV 

服务端收到建立连接的SYN没有收到ACK包的时候处在SYN_RECV状态。有两个相关系统配置:


1,net.ipv4.tcp_synack_retries :INTEGER

默认值是5

对于远端的连接请求SYN,内核会发送SYN + ACK数据报,以确认收到上一个 SYN连接请求包。这是所谓的三次握手( threeway handshake)机制的第二个步骤。这里决定内核在放弃连接之前所送出的 SYN+ACK 数目。不应该大于255,默认值是5,对应于180秒左右时间。通常我们不对这个值进行修改,因为我们希望TCP连接不要因为偶尔的丢包而无法建立。

2,net.ipv4.tcp_syncookies

一般服务器都会设置net.ipv4.tcp_syncookies=1来防止SYN Flood攻击。假设一个用户向服务器发送了SYN报文后突然死机或掉线,那么服务器在发出SYN+ACK应答报文后是无法收到客户端的ACK报文的(第三次握手无法完成),这种情况下服务器端一般会重试(再次发送SYN+ACK给客户端)并等待一段时间后丢弃这个未完成的连接,这段时间的长度我们称为SYN Timeout,一般来说这个时间是分钟的数量级(大约为30秒-2分钟)。


这些处在SYNC_RECV的TCP连接称为半连接,并存储在内核的半连接队列中,在内核收到对端发送的ack包时会查找半连接队列,并将符合的requst_sock信息存储到完成三次握手的连接的队列中,然后删除此半连接。大量SYNC_RECV的TCP连接会导致半连接队列溢出,这样后续的连接建立请求会被内核直接丢弃,这就是SYN Flood攻击。


能够有效防范SYN Flood攻击的手段之一,就是SYN Cookie。它的原理是,在TCP服务器收到TCP SYN包并返回TCP SYN+ACK包时,不分配一个专门的数据区,而是根据这个SYN包计算出一个cookie值。在收到TCP ACK包时,TCP服务器在根据那个cookie值检查这个TCP ACK包的合法性。如果合法,再分配专门的数据区进行处理未来的TCP连接。


观测服务上SYN_RECV连接个数为:7314,对于一个高并发连接的通讯服务器,这个数字比较正常。

CLOSE_WAIT

发起TCP连接关闭的一方称为client,被动关闭的一方称为server。被动关闭的server收到FIN后,但未发出ACK的TCP状态是CLOSE_WAIT。出现这种状况一般都是由于server端代码的问题,如果你的服务器上出现大量CLOSE_WAIT,应该要考虑检查代码。

TIME_WAIT

根据TCP协议定义的3次握手断开连接规定,发起socket主动关闭的一方 socket将进入TIME_WAIT状态。TIME_WAIT状态将持续2个MSL(Max Segment Lifetime)。TIME_WAIT状态下的socket不能被回收使用. 具体现象是对于一个处理大量短连接的服务器,如果是由服务器主动关闭客户端的连接,将导致服务器端存在大量的处于TIME_WAIT状态的socket, 甚至比处于Established状态下的socket多的多,严重影响服务器的处理能力,甚至耗尽可用的socket,停止服务。


为什么需要TIME_WAIT?TIME_WAIT是TCP协议用以保证被重新分配的socket不会受到之前残留的延迟重发报文影响的机制,是必要的逻辑保证。


和TIME_WAIT状态有关的系统参数有一般由3个,本厂设置如下:

net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1

net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1

net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30


net.ipv4.tcp_fin_timeout,默认60s,减小fin_timeout,减少TIME_WAIT连接数量。

net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1表示开启重用。允许将TIME-WAIT sockets重新用于新的TCP连接,默认为0,表示关闭;

net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1表示开启TCP连接中TIME-WAIT sockets的快速回收,默认为0,表示关闭。


Client调用close()函数,给Server发送FIN,请求关闭连接;Server收到FIN之后给Client返回确认ACK,同时关闭读通道(不清楚就去看一下shutdown和close的差别),也就是说现在不能再从这个连接上读取东西,现在read返回0。此时Server的TCP状态转化为CLOSE_WAIT状态。

Client收到对自己的FIN确认后,关闭 写通道,不再向连接中写入任何数据。

接下来Server调用close()来关闭连接,给Client发送FIN,Client收到后给Server回复ACK确认,同时Client关闭读通道,进入TIME_WAIT状态。

Server接收到Client对自己的FIN的确认ACK,关闭写通道,TCP连接转化为CLOSED,也就是关闭连接。

Client在TIME_WAIT状态下要等待最大数据段生存期的两倍,然后才进入CLOSED状态,TCP协议关闭连接过程彻底结束。

以上就是TCP协议关闭连接的过程,现在说一下TIME_WAIT状态。

从上面可以看到,主动发起关闭连接的操作的一方将达到TIME_WAIT状态,而且这个状态要保持Maximum Segment Lifetime的两倍时间。为什么要这样做而不是直接进入CLOSED状态?

原因有二:

一、保证TCP协议的全双工连接能够可靠关闭

二、保证这次连接的重复数据段从网络中消失

先说第一点,如果Client直接CLOSED了,那么由于IP协议的不可靠性或者是其它网络原因,导致Server没有收到Client最后回复的ACK。那么Server就会在超时之后继续发送FIN,此时由于Client已经CLOSED了,就找不到与重发的FIN对应的连接,最后Server就会收到RST而不是ACK,Server就会以为是连接错误把问题报告给高层。这样的情况虽然不会造成数据丢失,但是却导致TCP协议不符合可靠连接的要求。所以,Client不是直接进入CLOSED,而是要保持TIME_WAIT,当再次收到FIN的时候,能够保证对方收到ACK,最后正确的关闭连接。

再说第二点,如果Client直接CLOSED,然后又再向Server发起一个新连接,我们不能保证这个新连接与刚关闭的连接的端口号是不同的。也就是说有可能新连接和老连接的端口号是相同的。一般来说不会发生什么问题,但是还是有特殊情况出现:假设新连接和已经关闭的老连接端口号是一样的,如果前一次连接的某些数据仍然滞留在网络中,这些延迟数据在建立新连接之后才到达Server,由于新连接和老连接的端口号是一样的,又因为TCP协议判断不同连接的依据是socket pair,于是,TCP协议就认为那个延迟的数据是属于新连接的,这样就和真正的新连接的数据包发生混淆了。所以TCP连接还要在TIME_WAIT状态等待2倍MSL,这样可以保证本次连接的所有数据都从网络中消失。


为什么是2MSL:

因为TCP报文段的最大生存时间是MSL,所以坚持2MSL的TIME_WAIT状态能够确保网络上两个传输方向上尚未被接收到、迟到的TCP报文段都已经消失(被中转路由器丢弃),因此,一个新的连接可以在2MSL时间之后安全的建立。绝对不会收到属于原来连接的数据。


常见面试题


【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,但是我们必须假想网络是不可靠的,有可以最后一个ACK丢失。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。


【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。



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