TCP三次握手与四次分手

理解与掌握TCP的三次握手与四次分手是每一个程序开发人员的基本功，让我们先从TCP首部开始吧。

TCP首部

TCP工作在传输层，提供应用程序到应用程序之间的可靠传输。学习TCP协议，首先从TCP协议头部开始：

TCP协议头部每个字段说明一下如下：

• Source Port和Destination Port:分别占用16位，表示源端口号和目的端口号；用于区别主机中的不同进程，而IP地址是用来区分不同的主机的，源端口号和目的端口号配合上IP首部中的源IP地址和目的IP地址就能唯一的确定一个TCP连接；
• Sequence Number:用来标识从TCP发端向TCP收端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的的第一个数据字节在数据流中的序号； 主要用来解决网络报乱序的问题 ；
• Acknowledgment Number:32位确认序列号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号，因此，确认序号应当是上次已成功收到数据字节序号加1。不过，只有当标志位中的ACK标志（下面介绍）为1时该确认序列号的字段才有效。 主要用来解决不丢包的问题 ；
• Offset:给出首部中32 bit字的数目，需要这个值是因为任选字段的长度是可变的。这个字段占4bit（最多能表示15个32bit的的字，即4*15=60个字节的首部长度），因此TCP最多有60字节的首部。然而，没有任选字段，正常的长度是20字节；
• TCP Flags:TCP首部中有6个标志比特，它们中的多个可同时被设置为1，主要是用于操控TCP的状态机的，依次为URG，ACK，PSH，RST，SYN，FIN。每个标志位的意思如下：
  • URG：此标志表示TCP包的紧急指针域（后面马上就要说到）有效，用来保证TCP连接不被中断，并且督促中间层设备要尽快处理这些数据；
  • ACK：此标志表示应答域有效，就是说前面所说的TCP应答号将会包含在TCP数据包中；有两个取值：0和1，为1的时候表示应答域有效，反之为0；
  • PSH：这个标志位表示Push操作。所谓Push操作就是指在数据包到达接收端以后，立即传送给应用程序，而不是在缓冲区中排队；
  • RST：这个标志表示连接复位请求。用来复位那些产生错误的连接，也被用来拒绝错误和非法的数据包；
  • SYN：表示同步序号，用来建立连接。SYN标志位和ACK标志位搭配使用，当连接请求的时候，SYN=1，ACK=0；连接被响应的时候，SYN=1，ACK=1；这个标志的数据包经常被用来进行端口扫描。扫描者发送一个只有SYN的数据包，如果对方主机响应了一个数据包回来 ，就表明这台主机存在这个端口；但是由于这种扫描方式只是进行TCP三次握手的第一次握手，因此这种扫描的成功表示被扫描的机器不很安全，一台安全的主机将会强制要求一个连接严格的进行TCP的三次握手；
  • FIN： 表示发送端已经达到数据末尾，也就是说双方的数据传送完成，没有数据可以传送了，发送FIN标志位的TCP数据包后，连接将被断开。这个标志的数据包也经常被用于进行端口扫描。
• Window:窗口大小，也就是有名的滑动窗口，用来进行流量控制；

好，下面进入正题。

TCP三次握手与四次分手

为了分析TCP握手与分手的细节，我们编写了服务端代码和客户端代码，运行下面的程序，并进行抓包，通过抓包分析上面的握手与分手的过程。下面是用于分析TCP三次握手与四次分手过程用的程序代码：

服务端代码：

Rust编写的服务端程序代码：

use std::net::{TcpListener, TcpStream};
use std::io::prelude::*;
use std::thread;

fn main() {
	{
	    let listener = TcpListener::bind("127.0.0.1:33333").unwrap();
	    let (mut stream, addr) = listener.accept().unwrap();
	    println!("tcp accept from {:?}", addr);
	    let mut buf = [0; 1024];
	    let size = stream.read(&mut buf).unwrap();
	    println!("receive from remote {} bytes data.", size);
	    thread::sleep_ms(1000);
	}
	thread::sleep_ms(6*1000);
}
复制代码

或者c++编写的服务端（windows）程序代码：

// TcpServerSimple.cpp: 定义控制台应用程序的入口点。
#include "stdafx.h"
#include<WinSock2.h>
#include<stdlib.h>
#include<WS2tcpip.h>
#include<string>
#include<iostream>
using namespace std;

#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")
#define _WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS

int main()
{
	WSADATA wsaData;
	if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0) {
		cout << "Failed to load Winsock" << endl;
		return -1;
	}

	SOCKET sockServer = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

	SOCKADDR_IN addrServer;
	addrServer.sin_family = AF_INET;
	addrServer.sin_port = htons(33333);
	addrServer.sin_addr.S_un.S_addr = htonl(INADDR_ANY);

	if (SOCKET_ERROR == bind(sockServer, (LPSOCKADDR)&addrServer, sizeof(SOCKADDR_IN))) {
		cout << "Failed bind:" << WSAGetLastError() << endl;
		return -1;
	}

	if (SOCKET_ERROR == listen(sockServer, 10)) {
		cout<<"Listen failed:"<< WSAGetLastError() << endl;
		return -1;
	}

	SOCKADDR_IN addrClient;
	int len = sizeof(SOCKADDR);

	SOCKET sockConn = accept(sockServer, (SOCKADDR*)&addrClient, &len);
	if (SOCKET_ERROR == sockConn) {
		cout << "Accept failed:" << WSAGetLastError() << endl;
		return -1;
	}
	char addrBuf[20] = { '\0' };
	inet_ntop(AF_INET, (void*)&addrClient.sin_addr, addrBuf, 16);
	cout << "Accept from " << addrBuf << endl;

	char recvBuf[1024];
	memset(recvBuf, 0, sizeof(recvBuf));
	int size = recv(sockConn, recvBuf, sizeof(recvBuf), 0);
	cout << "received " << size << " from remote" << endl;

	Sleep(1000);
	closesocket(sockConn);
	closesocket(sockServer);

	WSACleanup();
	system("pause");

    return 0;
}
复制代码

客户端代码：

Rust实现如下：

use std::io::prelude::*;
use std::net::TcpStream;
use std::thread;

fn main() {
    {
        let mut stream = TcpStream::connect("192.168.2.210:33333").unwrap();
        let n = stream.write(&[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]).unwrap();
        println!("send {} bytes to remote node, waiting for end.", n);
        thread::sleep_ms(1000);
    }
    thread::sleep_ms(10*60*1000);
}
复制代码

TCP建立连接的过程——三次握手

TCP是面向连接的，无论哪一方向另一方发送数据之前，都必须先在双方之间建立一条连接。在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接服务，连接是通过三次握手进行初始化的。三次握手的目的是同步连接双方的序列号和确认号并交换TCP窗口大小信息。下面通过上面给出的程序和wireshark抓包 工具 对TCP连接过程进行分析。

运行服务端程序，运行后服务端程序进入监听状态 LISTEN 。

启动客户端，开始TCP握手。

第一次：客户端向服务端发送SYN（建立连接请求），客户端进入 SYN_SENT 状态（握手中的中间状态都非常短，很难看到，大部分看到的是 LISTEN 和 ESTABLISH ）。如下图所示：

抓包（SYN）：

第二次：服务端接收到 SYN ，回应 SYN+ACK 进入 SYN+RCVD 状态（这个状态非常短很难看到） 抓包（SYN+ACK）：

第三次：客户端收到 SYN+ACK 后，回应 ACK 进入 ESTABLISH 状态。 抓包（ACK）：

服务端收到 ACK 后，进入 ESTABLISH 状态，握手完成，连接建立。

TCP断开连接的过程——四次分手

当客户端和服务器通过三次握手建立了TCP连接以后，当数据传送完毕，肯定是要断开TCP连接的啊。那对于TCP的断开连接，这里就有了神秘的“四次分手”。

第一次：主机A（可以是客户端也可以是服务端，这里主机A是客户端首先发起断开连接）发送连接释放报文 FIN ，此时，主机A进入 FIN_WAIT_1 状态，表示主机A没有数据要发送给主机B了。 抓包 FIN ：

第二次：主机B收到了主机A发送的 FIN 报文，向主机A回一个 ACK 报文。主机A收到 ACK 后进入 FIN_WAIT_2 状态，主机B进入 CLOSE_WAIT 状态。 抓包 ACK ：

：

第四次：主机A收到主机B发送的 FIN 报文，向主机B发送 ACK 报文，然后主机A进入 TIME_WAIT 状态；主机B收到主机A的 ACK 报文以后，就关闭连接。此时，主机A 等待 2MSL （最大报文存活时间）后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，此时，主机A关闭连接。 抓包 ACK :

至此，TCP的四次分手完成，断开连接。

最后，从代码看抓包结果：

可以明确的看到，首先是进行了3次握手，连接建立后进行了1次发送数据过程，最后是4次分手，结束。

三次握手，为什么？

TCP建立连接的三次握手，为什么非要三次呢？两次不行吗？在谢希仁的《计算机网络》中是这样说的：

为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端，因而产生错误。

在书中同时举了一个例子，如下：

“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发送数据。但server却以为新的连接已经建立，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。采用“三次握手”的办法可以防止上述现象发生。例如刚才那种情况，client不会向server的确认发出确认。server由于收不到确认，就知道client并没有要求建立连接。”

这就很明白了，防止了服务器端的一直等待而浪费资源。

但是三次握手的过程不是完美无缺，也有一个问题，就是SYN Flood攻击，主要攻击手段是向服务端发送大量SYN请求连接，服务端响应SYN请求向客户端发送SYN+ACK，但是，此时客户端却不再向服务端发送最后的ACK，导致占用了服务端大量的资源。这里不再细述。

四次分手，为什么？

TCP是全双工模式，这是理解4次分手的关键，这就意味着，当A发出 FIN 报文时，只是表示A已经没有数据要发送了，并不意味着B不需要发送数据给Ａ了，这个时候A还是可以接收来自B的数据；当B返回 ACK 报文时，表示它已经知道A没有数据发送了，但是B还是可以发送数据到A的。所以2次分手是不可以的。当B不再需要向A发送数据时，向Ａ发送 FIN 报文，告诉A，我也没有数据要发送了，之后彼此就会中断这次TCP连接。

四次分手过程中的状态：

为什么TIME_WAIT状态要等待2MSL？客户端接收到服务器端的 FIN 报文后进入此状态，此时并不是直接进入 CLOSED 状态，还需要等待一个时间计时器设置的时间 2MSL 。这么做有两个理由：

• 其一，确保最后一个确认报文能够到达。如果 B 没收到 A 发送来的确认报文，那么就会重新发送连接释放请求报文，A 等待一段时间就是为了处理这种情况的发生。
• 其二，等待一段时间是为了让本连接持续时间内所产生的所有报文都从网络中消失，使得下一个新的连接不会出现旧的连接请求报文。

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