TCP总结:TCP 三次握手和四次挥手

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TCP简介

为什么需要 TCP 协议?TCP 工作在哪一层?

IP 层是「不可靠」的,它不保证网络包的交付、不保证网络包的按序交付、也不保证网络包中的数据的完整性。

OSI 参考模型与 TCP/IP 的关系

如果需要保障网络数据包的可靠性,那么就需要由上层(传输层)的 TCP 协议来负责。

因为 TCP 是一个工作在传输层可靠数据传输的服务,它能确保接收端接收的网络包是无损坏、无间隔、非冗余和按序的。那么TCP是什么呢?

什么是 TCP ?

TCP 是面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

  • 面向连接:一定是「一对一」才能连接,不能像 UDP 协议 可以一个主机同时向多个主机发送消息,也就是一对多是无法做到的;
  • 可靠的:无论的网络链路中出现了怎样的链路变化,TCP 都可以保证一个报文一定能够到达接收端;
  • 字节流:消息是「没有边界」的,所以无论我们消息有多大都可以进行传输。并且消息是「有序的」,当「前一个」消息没有收到的时候,即使它先收到了后面的字节已经收到,那么也不能扔给应用层去处理,同时对「重复」的报文会自动丢弃。

其中,面向连接意味着两个使用 TCP 的应用(通常是一个客户和一个服务器)在彼此交换数据之前必须先建立一个 TCP 连接。

  • 在一个 TCP 连接中,仅有两方进行彼此通信。
  • 而字节流服务意味着两个应用程序通过 TCP 链接交换 8bit 字节构成的字节流,TCP 不在字节流中插入记录标识符。

对于可靠性,TCP 通过以下方式进行保证:

  • 数据包校验:目的是检测数据在传输过程中的任何变化,若校验出包有错,则丢弃报文段并且不给出响应,这时 TCP 发送数据端超时后会重发数据。
  • 对失序数据包重排序:既然 TCP 报文段作为 IP 数据报来传输,而 IP 数据报的到达可能会失序,因此 TC P报文段的到达也可能会失序。TCP 将对失序数据进行重新排序,然后才交给应用层。
  • 丢弃重复数据:对于重复数据,能够丢弃重复数据。
  • 应答机制:当 TCP 收到发自 TCP 连接另一端的数据,它将发送一个确认。这个确认不是立即发送,通常将推迟几分之一秒。
  • 超时重发:当 TCP 发出一个段后,它启动一个定时器,等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认,将重发这个报文段。
  • 流量控制:TCP 连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。TCP 的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据,这可以防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出,这就是流量控制。TCP 使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议

那么TCP的构造是怎么样的呢?

TCP头部格式

我们先来看看 TCP 头部格式:

序列号:在建立连接时由计算机生成的随机数作为其初始值,通过 SYN 包传给接收端主机,每发送一次数据,就「累加」一次该「数据字节数」的大小。用来解决网络包乱序问题。

确认应答号:指下一次「期望」收到的数据的序列号,发送端收到这个确认应答以后可以认为在这个序号以前的数据都已经被正常接收。用来解决不丢包的问题。

标志位

  • ACK:该位为 1 时,「确认应答」的字段变为有效,TCP 规定除了最初建立连接时的 SYN 包之外该位必须设置为 1
  • RST:该位为 1 时,表示 TCP 连接中出现异常必须强制断开连接。
  • SYC:该位为 1 时,表示希望建立连,并在其「序列号」的字段进行序列号初始值的设定。
  • FIN:该位为 1 时,表示今后不会再有数据发送,希望断开连接。当通信结束希望断开连接时,通信双方的主机之间就可以相互交换 FIN 位置为 1 的 TCP 段。

窗口
滑动窗口大小,这个字段是接收端用来告知发送端自己还有多少缓冲区可以接受数据。于是发送端可以根据这个接收端的处理能力来发送数据,而不会导致接收端处理不过来。(以此控制发送端发送数据的速率,从而达到流量控制。)窗口大小时一个16bit字段,因而窗口大小最大为65535。

在了解了基础TCP理论后,看看TCP是如何工作的呢?首先看看TCP连接建立

TCP 连接建立

TCP 是面向连接的协议,所以使用 TCP 前必须先建立连接,而建立连接是通过三次握手而进行的。

  • 一开始,客户端和服务端都处于 CLOSED 状态。先是服务端主动监听某个端口,处于 LISTEN 状态

第一个报文—— SYN 报文

  • 客户端会随机初始化序号(client_isn),将此序号置于 TCP 首部的「序号」字段中,同时把 SYN 标志位置为 1 ,表示 SYN 报文。接着把第一个 SYN 报文发送给服务端,表示向服务端发起连接,该报文不包含应用层数据,之后客户端处于SYN-SENT 状态。

第二个报文 —— SYN + ACK 报文

  • 服务端收到客户端的 SYN 报文后,首先服务端也随机初始化自己的序号(server_isn),将此序号填入 TCP 首部的「序号」字段中,其次把 TCP 首部的「确认应答号」字段填入 client_isn + 1, 接着把 SYNACK 标志位置为1。最后把该报文发给客户端,该报文也不包含应用层数据,之后服务端处于 SYN-RCVD 状态。

第三个报文 —— ACK 报文

  • 客户端收到服务端报文后,还要向服务端回应最后一个应答报文,首先该应答报文 TCP 首部 ACK 标志位置为 1 ,其次「确认应答号」字段填入 server_isn + 1 ,最后把报文发送给服务端,这次报文可以携带客户到服务器的数据,之后客户端处于 ESTABLISHED 状态。
  • 服务器收到客户端的应答报文后,也进入 ESTABLISHED 状态。

从上面的过程可以发现第三次握手是可以携带数据的,前两次握手是不可以携带数据的,这也是面试常问的题。

一旦完成三次握手,双方都处于 ESTABLISHED 状态,此致连接就已建立完成,客户端和服务端就可以相互发送数据了。

为什么是三次握手?不是两次、四次?

可以从以下的三个方面分析为什么是三次握手,不是两次、四次的原因:

  • 三次握手才可以阻止历史重复连接的初始化(主要原因)
  • 三次握手才可以同步双方的初始序列号
  • 三次握手才可以避免资源浪费
原因一:避免历史连接

简单来说,三次握手的首要原因是为了防止旧的重复连接初始化造成混乱。

网络环境是错综复杂的,往往并不是如我们期望的一样,先发送的数据包,就先到达目标主机,反而它很骚,可能会由于网络拥堵等乱七八糟的原因,会使得旧的数据包,先到达目标主机,那么这种情况下 TCP 三次握手是如何避免的呢?

三次握手避免历史连接

客户端连续发送多次 SYN 建立连接的报文,在网络拥堵等情况下:

  • 一个「旧 SYN 报文」比「最新的 SYN 」 报文早到达了服务端;
  • 那么此时服务端就会回一个 SYN + ACK 报文给客户端;
  • 客户端收到后可以根据自身的上下文,判断这是一个历史连接(序列号过期或超时),那么客户端就会发送 RST 报文给服务端,表示中止这一次连接。

如果是两次握手连接,就不能判断当前连接是否是历史连接,三次握手则可以在客户端(发送方)准备发送第三次报文时,客户端因有足够的上下文来判断当前连接是否是历史连接:

  • 如果是历史连接(序列号过期或超时),则第三次握手发送的报文是 RST 报文,以此中止历史连接;
  • 如果不是历史连接,则第三次发送的报文是 ACK 报文,通信双方就会成功建立连接;

所以, TCP 使用三次握手建立连接的最主要原因是防止历史连接初始化了连接。

原因二:同步双方初始序列号

TCP 协议的通信双方, 都必须维护一个「序列号」, 序列号是可靠传输的一个关键因素,它的作用:

  • 接收方可以去除重复的数据;
  • 接收方可以根据数据包的序列号按序接收;
  • 可以标识发送出去的数据包中, 哪些是已经被对方收到的;

可见,序列号在 TCP 连接中占据着非常重要的作用,所以当客户端发送携带「初始序列号」的 SYN 报文的时候,需要服务端回一个 ACK 应答报文,表示客户端的 SYN 报文已被服务端成功接收,那当服务端发送「初始序列号」给客户端的时候,依然也要得到客户端的应答回应,这样一来一回,才能确保双方的初始序列号能被可靠的同步。

四次握手与三次握手

四次握手其实也能够可靠的同步双方的初始化序号,但由于第二步和第三步可以优化成一步,所以就成了「三次握手」。

而两次握手只保证了一方的初始序列号能被对方成功接收,没办法保证双方的初始序列号都能被确认接收。

原因三:避免资源浪费

如果只有「两次握手」,当客户端的 SYN 请求连接在网络中阻塞,客户端没有接收到ACK 报文,就会重新发送 SYN ,由于没有第三次握手,服务器不清楚客户端是否收到了自己发送的建立连接的 ACK 确认信号,所以每收到一个 SYN 就只能先主动建立一个连接,这会造成什么情况呢?

如果客户端的 SYN 阻塞了,重复发送多次 SYN 报文,那么服务器在收到请求后就会建立多个冗余的无效链接,造成不必要的资源浪费。

两次握手会造成资源浪费

即两次握手会造成消息滞留情况下,服务器重复接受无用的连接请求 SYN 报文,而造成重复分配资源。

小结

TCP 建立连接时,通过三次握手能防止历史连接的建立,能减少双方不必要的资源开销,能帮助双方同步初始化序列号。序列号能够保证数据包不重复、不丢弃和按序传输。

不使用「两次握手」和「四次握手」的原因:

  • 「两次握手」:无法防止历史连接的建立,会造成双方资源的浪费,也无法可靠的同步双方序列号;
  • 「四次握手」:三次握手就已经理论上最少可靠连接建立,所以不需要使用更多的通信次数。

TCP 连接断开

天下没有不散的宴席,对于 TCP 连接也是这样, TCP 断开连接是通过四次挥手方式。

双方都可以主动断开连接,断开连接后主机中的「资源」将被释放。

客户端主动关闭连接 —— TCP 四次挥手

  • 客户端打算关闭连接,此时会发送一个 TCP 首部 FIN 标志位被置为 1 的报文,也即 FIN 报文,之后客户端进入 FIN_WAIT_1 状态。
  • 服务端收到该报文后,就向客户端发送 ACK 应答报文,接着服务端进入CLOSED_WAIT 状态。
  • 客户端收到服务端的 ACK 应答报文后,之后进入 FIN_WAIT_2 状态。
  • 等待服务端处理完数据后,也向客户端发送 FIN 报文,之后服务端进入LAST_ACK 状态。
  • 客户端收到服务端的 FIN 报文后,回一个 ACK 应答报文,之后进入TIME_WAIT 状态
  • 服务器收到了 ACK 应答报文后,就进入了 CLOSE 状态,至此服务端已经完成连接的关闭。
  • 客户端在经过 2MSL 一段时间后,自动进入 CLOSE 状态,至此客户端也完成连接的关闭。

你可以看到,每个方向都需要一个 FIN 和一个 ACK,因此通常被称为四次挥手

这里一点需要注意是:主动关闭连接的,才有 TIME_WAIT 状态。

为什么挥手需要四次?

再来回顾下四次挥手双方发 FIN 包的过程,就能理解为什么需要四次了。

  • 关闭连接时,客户端向服务端发送 FIN 时,仅仅表示客户端不再发送数据了但是还能接收数据。
  • 服务器收到客户端的 FIN 报文时,先回一个 ACK 应答报文,而服务端可能还有数据需要处理和发送,等服务端不再发送数据时,才发送 FIN 报文给客户端来表示同意现在关闭连接。

从上面过程可知,服务端通常需要等待完成数据的发送和处理,所以服务端的 ACKFIN 一般都会分开发送,从而比三次握手导致多了一次。

为什么 TIME_WAIT 等待的时间是 2MSL?

MSL 是 Maximum Segment Lifetime,报文最大生存时间,它是任何报文在网络上存在的最长时间,超过这个时间报文将被丢弃。因为 TCP 报文基于是 IP 协议的,而 IP 头中有一个 TTL 字段,是 IP 数据报可以经过的最大路由数,每经过一个处理他的路由器此值就减 1,当此值为 0 则数据报将被丢弃,同时发送 ICMP 报文通知源主机。

MSL 与 TTL 的区别:MSL 的单位是时间,而 TTL 是经过路由跳数。所以 MSL 应该要大于等于 TTL 消耗为 0 的时间,以确保报文已被自然消亡。

TIME_WAIT 等待 2 倍的 MSL,比较合理的解释是:网络中可能存在来自发送方的数据包,当这些发送方的数据包被接收方处理后又会向对方发送响应,所以一来一回需要等待 2 倍的时间

比如,如果被动关闭方没有收到断开连接的最后的 ACK 报文,就会触发超时重发 Fin 报文,另一方接收到 FIN 后,会重发 ACK 给被动关闭方, 一来一去正好 2 个 MSL。

2MSL 的时间是从客户端接收到 FIN 后发送 ACK 开始计时的。如果在 TIME-WAIT 时间内,因为客户端的 ACK 没有传输到服务端,客户端又接收到了服务端重发的 FIN 报文,那么 2MSL 时间将重新计时

在 Linux 系统里 2MSL 默认是 60 秒,那么一个 MSL 也就是 30 秒。Linux 系统停留在 TIME_WAIT 的时间为固定的 60 秒

其定义在 Linux 内核代码里的名称为 TCP_TIMEWAIT_LEN:

#define TCP_TIMEWAIT_LEN (60*HZ) /* how long to wait to destroy TIME-WAIT                                     state, about 60 seconds  */

如果要修改 TIME_WAIT 的时间长度,只能修改 Linux 内核代码里 TCP_TIMEWAIT_LEN 的值,并重新编译 Linux 内核。

为什么需要 TIME_WAIT 状态?

主动发起关闭连接的一方,才会有 TIME-WAIT 状态。

需要 TIME-WAIT 状态,主要是两个原因:

  • 防止具有相同「源、目标信息」的「旧」数据包被收到;
  • 保证「被动关闭连接」的一方能被正确的关闭,即保证最后的 ACK 能让被动关闭方接收,从而帮助其正常关闭;
原因一:防止旧连接的数据包

假设 TIME-WAIT 没有等待时间或时间过短,被延迟的数据包抵达后会发生什么呢?

接收到历史数据的异常

  • 如上图黄色框框服务端在关闭连接之前发送的 SEQ = 301 报文,被网络延迟了。
  • 这时有相同端口的 TCP 连接被复用后,被延迟的 SEQ = 301 抵达了客户端,那么客户端是有可能正常接收这个过期的报文,这就会产生数据错乱等严重的问题。

所以,TCP 就设计出了这么一个机制,经过 2MSL 这个时间,足以让两个方向上的数据包都被丢弃,使得原来连接的数据包在网络中都自然消失,再出现的数据包一定都是新建立连接所产生的。

原因二:保证连接正确关闭

TIME-WAIT 作用是等待足够的时间以确保最后的 ACK 能让被动关闭方接收,从而帮助其正常关闭。

假设 TIME-WAIT 没有等待时间或时间过短,断开连接会造成什么问题呢?

没有确保正常断开的异常

  • 如上图红色框框客户端四次挥手的最后一个 ACK 报文如果在网络中被丢失了,此时如果客户端 TIME-WAIT 过短或没有,则就直接进入了 CLOSE 状态了,那么服务端则会一直处在 LASE-ACK 状态。
  • 当客户端发起建立连接的 SYN 请求报文后,服务端会发送 RST 报文给客户端,连接建立的过程就会被终止。

如果 TIME-WAIT 等待足够长的情况就会遇到两种情况:

  • 服务端正常收到四次挥手的最后一个 ACK 报文,则服务端正常关闭连接。
  • 服务端没有收到四次挥手的最后一个 ACK 报文时,则会重发 FIN 关闭连接报文并等待新的 ACK 报文。

所以客户端在 TIME-WAIT 状态等待 2MSL 时间后,就可以保证双方的连接都可以正常的关闭。

TIME_WAIT 过多有什么危害?

如果服务器有处于 TIME-WAIT 状态的 TCP,则说明是由服务器方主动发起的断开请求。

过多的 TIME-WAIT 状态主要的危害有两种:

  • 第一是内存资源占用;
  • 第二是对端口资源的占用,一个 TCP 连接至少消耗一个本地端口;

第二个危害是会造成严重的后果的,要知道,端口资源也是有限的,一般可以开启的端口为 32768~61000,也可以通过如下参数设置指定

net.ipv4.ip_local_port_range

如果服务端 TIME_WAIT 状态过多,占满了所有端口资源,则会导致无法创建新连接。

如何优化 TIME_WAIT?

这里给出优化 TIME-WAIT 的几个方式,都是有利有弊:

  • 打开 net.ipv4.tcp_tw_reuse 和 net.ipv4.tcp_timestamps 选项;
  • net.ipv4.tcp_max_tw_buckets
  • 程序中使用 SO_LINGER ,应用强制使用 RST 关闭。
方式一:net.ipv4.tcp_tw_reuse 和 tcp_timestamps

如下的 Linux 内核参数开启后,则可以复用处于 TIME_WAIT 的 socket 为新的连接所用

net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1

使用这个选项,还有一个前提,需要打开对 TCP 时间戳的支持,即

net.ipv4.tcp_timestamps=1(默认即为 1)

这个时间戳的字段是在 TCP 头部的「选项」里,用于记录 TCP 发送方的当前时间戳和从对端接收到的最新时间戳。

由于引入了时间戳,我们在前面提到的 2MSL 问题就不复存在了,因为重复的数据包会因为时间戳过期被自然丢弃。

温馨提醒:net.ipv4.tcp_tw_reuse要慎用,因为使用了它就必然要打开时间戳的支持net.ipv4.tcp_timestamps当客户端与服务端主机时间不同步时,客户端的发送的消息会被直接拒绝掉。敖丙在工作中就遇到过。。。排查了非常的久

方式二:net.ipv4.tcp_max_tw_buckets

这个值默认为 18000,当系统中处于 TIME_WAIT 的连接一旦超过这个值时,系统就会将所有的 TIME_WAIT 连接状态重置。

这个方法过于暴力,而且治标不治本,带来的问题远比解决的问题多,不推荐使用。

方式三:程序中使用 SO_LINGER

我们可以通过设置 socket 选项,来设置调用 close 关闭连接行为。

struct linger so_linger;so_linger.l_onoff = 1;so_linger.l_linger = 0;setsockopt(s, SOL_SOCKET, SO_LINGER, &so_linger,sizeof(so_linger));

如果l_onoff为非 0, 且l_linger值为 0,那么调用close后,会立该发送一个RST标志给对端,该 TCP 连接将跳过四次挥手,也就跳过了TIME_WAIT状态,直接关闭。

但这为跨越TIME_WAIT状态提供了一个可能,不过是一个非常危险的行为,不值得提倡。

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 有一个机制是保活机制。这个机制的原理是这样的:

定义一个时间段,在这个时间段内,如果没有任何连接相关的活动,TCP 保活机制会开始作用,每隔一个时间间隔,发送一个探测报文,该探测报文包含的数据非常少,如果连续几个探测报文都没有得到响应,则认为当前的 TCP 连接已经死亡,系统内核将错误信息通知给上层应用程序。

在 Linux 内核可以有对应的参数可以设置保活时间、保活探测的次数、保活探测的时间间隔,以下都为默认值:

net.ipv4.tcp_keepalive_time=7200net.ipv4.tcp_keepalive_intvl=75  net.ipv4.tcp_keepalive_probes=9
  • tcp_keepalive_time=7200:表示保活时间是 7200 秒(2小时),也就 2 小时内如果没有任何连接相关的活动,则会启动保活机制
  • tcp_keepalive_intvl=75:表示每次检测间隔 75 秒;
  • tcp_keepalive_probes=9:表示检测 9 次无响应,认为对方是不可达的,从而中断本次的连接。

也就是说在 Linux 系统中,最少需要经过 2 小时 11 分 15 秒才可以发现一个「死亡」连接。

这个时间是有点长的,我们也可以根据实际的需求,对以上的保活相关的参数进行设置。

如果开启了 TCP 保活,需要考虑以下几种情况:

第一种,对端程序是正常工作的。当 TCP 保活的探测报文发送给对端, 对端会正常响应,这样 TCP 保活时间会被重置,等待下一个 TCP 保活时间的到来。

第二种,对端程序崩溃并重启。当 TCP 保活的探测报文发送给对端后,对端是可以响应的,但由于没有该连接的有效信息,会产生一个 RST 报文,这样很快就会发现 TCP 连接已经被重置。

第三种,是对端程序崩溃,或对端由于其他原因导致报文不可达。当 TCP 保活的探测报文发送给对端后,石沉大海,没有响应,连续几次,达到保活探测次数后,TCP 会报告该 TCP 连接已经死亡

文章来源:https://mp.weixin.qq.com/s/tH...
作者:小林coding

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