TCP连接及传输

文章目录
  1. 1. 网络结构
  2. 2. TCP协议报文
  3. 3. 握手过程
  4. 4. 挥手过程

OSI七层协议模型主要是:应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。每层都有对应的协议,在传输层主要是TCP、UDP协议,然后通过网络层的IP协议进行网络传输

网络结构


TCP协议报文

tcp报文格式如上图所示,主要解释一下首部,因为数据部分主要是应用层协议直接包装的,如下图

字段 含义
URG 紧急指针是否有效。为1,表示某一位需要被优先处理
ACK 确认号是否有效,一般置为1。
PSH 提示接收端应用程序立即从TCP缓冲区把数据读走。
RST 对方要求重新建立连接,复位。
SYN 请求建立连接,并在其序列号的字段进行序列号的初始值设定。建立连接,设置为1
FIN 希望断开连接。

序列号seq:占4个字节,用来标记数据段的顺序,TCP把连接中发送的所有数据字节都编上一个序号,第一个字节的编号由本地随机产生;给字节编上序号后,就给每一个报文段指派一个序号;
序列号seq就是这个报文段中的第一个字节的数据编号。

确认号ack:占4个字节,期待收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号;因此当前报文段最后一个字节的编号+1即为确认号。

确认ACK:占1位,仅当ACK=1时,确认号字段才有效。ACK=0时,确认号无效

同步SYN:连接建立时用于同步序号。当SYN=1,ACK=0时表示:这是一个连接请求报文段。若同意连接,则在响应报文段中使得SYN=1,ACK=1。因此,SYN=1表示这是一个连接请求,或连接接受报文。SYN这个标志位只有在TCP建产连接时才会被置1,握手完成后SYN标志位被置0。

终止FIN:用来释放一个连接。FIN=1表示:此报文段的发送方的数据已经发送完毕,并要求释放运输连接
注意小写的ack为确认序号,大写的ACK为确认符

正因为有seq和ack的加持,所以tcp传输是可靠的。TCP为了保证不发生丢包,就给每个包一个序号,同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的包发回一个相应的确认(ACK);如果发送端实体在合理的往返时延(RTT)内未收到确认,那么对应的数据包就被假设为已丢失将会被进行重传。TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误;在发送和接收时都要计算校验和。

握手过程

第一次握手:建立连接时,客户端发送SYN请求连接包(seq=x,x为客户端随机数)到服务器,并进入SYN_SENT状态,等待服务器确认。

第二次握手:服务器收到SYN包,必须确认客户的SYN(ack=x+1),同时自己也发送一个SYN=1、ACK=1的包(seq=y,y为服务端随机数),即SYN+ACK包,此时服务器进入SYN_RECV状态;
(这里有个特别注意的地方:很多人会问为什么不直接返回ACK包,不就可以少一次握手了吗。因为TCP之可以是可靠的,来源于双向通讯,并且双方来知会对方开始的序列号seq。
第一种情况:已失效的连接请求报文段”的产生在这样一种情况下:client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失,而是在某个网络结点长时间的滞留了,以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。本来这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后,就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。于是就向client发出确认报文段,同意建立连接。假设不采用“三次握手”,那么只要server发出确认,新的连接就建立了。由于现在client并没有发出建立连接的请求,因此不会理睬server的确认,也不会向server发送ack包。(校注:此时因为client没有发起建立连接请求,所以client处于CLOSED状态,接受到任何包都会丢弃
第二种情况:如果服务器发送对这个延误的旧连接报文的确认的同时,客户端调用connect函数发起了连接,就会使客户端进入SYN_SEND状态,当服务器那个对延误旧连接报文的确认传到客户端时,因为客户端已经处于SYN_SEND状态,所以就会使客户端进入ESTABLISHED状态,此时服务器端反而丢弃了这个重复的通过connect函数发送的SYN包,见第三个图。而连接建立之后,发送包由于SEQ是以被丢弃的SYN包的序号为准,而服务器接收序号是以那个延误旧连接SYN报文序号为准,导致服务器丢弃后续发送的数据包)但server却以为新的运输连接已经建立,并一直等待client发来数据。这样,server的很多资源就白白浪费掉了。)

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。

挥手过程

第一次挥手:客户端进程发出连接释放报文,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。

第二次挥手:服务器收到连接释放报文,发出确认报文,ACK=1,ack=u+1,并且带上自己的序列号seq=v,此时,服务端就进入了CLOSE-WAIT(关闭等待)状态。TCP服务器通知高层的应用进程,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,客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间,也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。而此时客户端就进入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)。

第三次挥手:服务器将最后的数据发送完毕后,服务器再次发送确认关闭请求FIN=1,ACK=1,ack=u+1,假定此时的序列号为seq=w,客户端收到服务器的确认请求后,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。

第四次挥手: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。