TCP三次握手、四次挥手

2023-05-16

TCP通信流程

TCP和UDP

TCP和UDP区别如下：

UDP：用户数据报文协议，面向无连接，可以单播，多播，广播，面向数据报，不可靠。
TCP：传输控制协议，面向连接，可靠的，基于字节流的，仅支持单播。

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TCP的通信流程

①服务器端（被动接受连接的角色）

创建一个用于监听的套接字
- 监听：监听有客户端的连接
- 套接字：这个套接字其实就是一个文件描述符
将这个监听文件描述符和本地的IP和端口绑定（IP和端口就是服务器的地址信息）
- 客户端连接服务器的时候使用的就是这个IP和端口
设置监听，监听的fd开始工作
阻塞等待，当有客户端发起连接，解除阻塞，接受客户端的连接，会得到一个和客户端通信的套接字（fd）
通信
- 接收数据
- 发送数据

6.通信结束，断开连接

②客户端（主动连接角色）

创建一个用于通信的套接字（fd）
连接服务器，需要指定连接的服务器的 IP 和端口
连接成功了，客户端可以直接和服务器通信
- 接收数据
- 发送数据
通信结束，断开连接

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基本概念

TCP是一种面向连接的单播协议，在发送数据前，通信双方必须在彼此间建立一条连接。所谓“连接”，其实是客户端和服务器的内存里保存的一份关于对方的信息，如IP地址、端口号等。

TCP可以看成是一种字节流，它会处理IP层或以下层的丢包、重复及错误问题。在连接的建立过程中，双方需要交换一些连接的参数。这些参数可以放在TCP头部。

TCP提供了一种可靠、面向连接、字节流、传输层的服务，采用三次握手建立一个连接。采用四次挥手关闭一个连接。

三次握手目的是保证双方互相之间建立了连接。

三次握手发生在客户端连接的时候，当叼用connect()的时候，底层会通过TCP协议进行三次握手。

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TCP传送的数据单元称为报文段。TCP报文段既可以用来 运载数据，又可以用来建立连接、释放连接和应答。TCP报文段分为TCP头部和数据两个部分。

TCP头部需要掌握以下几种信息：

32位序号（seq）：由于TCP连接传送的数据是面向字节流的（逐个字节传送的），所以为了保证传送数据的完整性和顺序性，TCP连接传送的每个字节都按顺序编号。序号字段的值指的是本报文段传送的数据的第一个数据字节的序号。 如：一个报文段所发送的数据的序号值是301，携带的数据有100B，那么本报文段数据的最后一个字节序号是400，因此下一个报文段发送的数据的序号应该从401开始。
32位确认号（ack）：期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。若确认号为N，表明到序号N-1为止的数据都已经正确收到，并且期望收到序号为N的报文段序号。
ACK：表示确认号是否有效。我们称携带ACK标志的TCP报文段为确认报文段。建立连接后所有发送的报文ACK都置为1.
SYN：表示请求建立连接。我们称携带SYN标志的TCP报文段成为复位报文段。：
FIN：表示通知对方本端要关闭连接了。我们称携带FIN标志的TCP报文段称为结束报文段。
16位窗口大小：是TCP流量控制的一个手段。这里说的窗口，指的是接收通告窗口。它告诉对方本端的TCP接收缓存中还能容纳多少个字节的数据，这样对方可以控制发送数据的速度。

TCP三次握手

三次握手过程

三次握手过程如下：

第一次握手：
- 客户端将SYN标志位置为1
- 生成一个随机的32位序号x
- 这个序号后面可以携带数据（数据的大小）
第二次握手：
- 服务器端接收客户端的连接：ACK = 1
- 服务器回发一个确认序号：ack = 客户端的序号(x) + 数据长度 + SYN/FIN（当做一个字节算）
- 服务器端会向客户端发起连接请求：SYN = 1
- 服务器会生成一个随机信号：seq = y
第三次握手
- 客户端应答服务器端连接请求：ACK = 1
- 客户端回复收到了服务器端的数据：ack = 服务器端序号(y) + 数据长度 + SYN/FIN

简易理解版本的三次握手过程图如下：（省略序号和确认号）。

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完整版三次握手的过程时序图如下：

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例如：客户端给服务器端发送数据的过程如下图

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为什么需要三次握手？

因为客户端要确认自己是否能发送和接收数据，服务端也要确认自己能否发送和接收数据。如果客户端只能发送数据不能接收数据，采用两次握手的话，流程如下：

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客户端只能发送数据不能接收数据，但2次握手便建立了连接，这种建立的连接显然是不可靠的。而三次握手可以确认客户端和服务器端收、发数据都正常才建立可靠的连接。

TCP四次挥手

四次挥手发生在断开连接的时候，在程序中当调用了close()会使用TCP协议进行四次挥手。

客户端和服务器端都可以主动发起断开连接，谁先调用close()谁就是发起。

因为TCP连接的时候，采用三次握手建立的连接是双向的，在断开的时候需要双向断开。

四次挥手的过程

简单理解版本四次挥手图如下：

例如：客户端请求断开连接（服务器端也可以请求断开连接，过程一样）。

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-K92C3cXa-1659703867239)(C:\Users\84995\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1659698464511.png)]$

完整版四次挥手的过程时序图如下：

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-toMFzOFj-1659703867239)(C:\Users\84995\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1659699388842.png)]$

为什么需要四次挥手，而不是直接关停程序

因为建立连接的时候通信双方会保存各自的信息（ip、端口等），断开连接后应该把这些信息销毁掉，否则这些信息一直存在系统当中，会造成内存泄漏问题。

TCP滑动窗口

流量控制：控制发送方发送速度太快，超出接收方缓冲区的大小。

拥塞控制：使用网络带宽主机太多，导致整个网络发送缓慢、排队时间过长而出现拥塞。

滑动窗口是一种流量控制技术。早期的网络通信中，通信双方不会考虑网络的拥挤情况，直接发送数据。由于大家不知道网络拥塞状况，同时发送数据，导致中间节点阻塞掉包，谁也发不了数据，所以就有了滑动窗口机制来解决此问题。滑动窗口协议是用来改善吞吐量的一种技术，即容许发送方在接受任何应答之前传送附加的包。接收方告诉发送方在某一时刻能送多少包（称窗口尺寸）。

TCP中采用滑动窗口机制来进行传输控制，，滑动窗口的大小意味着接收方还有多大的缓冲区可以用于接收数据。 发送方可以通过滑动窗口的大小来确定应该发送多少字节的数据。当滑动窗口为0时，发送方一般不能再发送数据报。

滑动窗口是TCP中实现诸如ACK确认、流量控制、拥塞控制的承载结构。

滑动窗口可以理解为一块缓冲区，窗口理解为缓冲区的大小。

滑动窗口的大小会随着发送数据和接收数据而变化。通信双方都有发送缓冲区和接收数据的缓冲区。

服务器：
- 发送缓冲区：（发送缓冲区的窗口）
- 接收缓冲区：（接收缓冲区的窗口）
客户端：
- 发送缓冲区：（发送缓冲区的窗口）
- 接收缓冲区：（接收缓冲区的窗口）

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-5oCYnhZt-1659703867240)(C:\Users\84995\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1659687783067.png)]$

每一时刻，接收方给发送方发送的TCP报文段中的信息会包含接收方剩余缓冲区的大小，每次发送方发送数据的大小不能超过剩余缓冲区的大小，如果剩余缓冲区为0，则发送方停止发送数据。

例：发送端发送速度比接收端接收速度快，利用滑动窗口来进行流量控制的过程如下图：

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Yw6xw0zv-1659703867240)(C:\Users\84995\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1659690160601.png)]$

第一次握手：客户端向服务器发起连接，客户端的滑动窗口为4096，一次发送的最大数据量为1460.
第二次握手：服务器端接收连接情况，告诉客户端服务器窗口大小为6144，一次发送的最大数据量为1024.
第三次握手：向服务器端发送确认，成功建立起TCP连接。
4~9，客户端连续给服务器发送了6k的数据，每次发送1k
第10次，服务器告诉客户端发送的6k数据已经接收到，存储在缓冲区中，缓冲区数据已经处理了2k，窗口大小是2k
第11次，服务器告诉客户端发送的6k数据已经接收到，存储在缓冲区中，缓冲区数据已经处理了4k，窗口大小是4k
第12次，客户端给服务器发送了1k的数据
第13次，第一次挥手，客户端主动请求和服务器断开连接，并且给服务器发送了1k的数据
第14次，第二次挥手，服务器回复ack8194，同意断开连接的请求，告诉客户端已经接受到刚才2k的数据，并告诉窗口大小为2k
第15、16次，通知客户端滑动窗口的大小
第17次，第三次挥手，服务器端给客户端发送FIN，请求断开连接。
第18次，第四次挥手，客户端换同意了服务器端的断开请求，断开连接。

资料：https://www.nowcoder.com/study/live/504/4/17

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