TCP三次握手

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本概念中，分層次的體系結(jié)構(gòu)是最基本的。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的抽象概念較多，在學(xué)習(xí)時要多思考。這些概念對后面的學(xué)習(xí)很有幫助。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是什么？

在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)要做到有條不紊地交換數(shù)據(jù)，就必須遵守一些事先約定好的規(guī)則，比如交換數(shù)據(jù)的格式、是否需要發(fā)送一個應(yīng)答信息。這些規(guī)則被稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

為什么要對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層？

簡化問題難度和復(fù)雜度。由于各層之間獨立，我們可以分割大問題為小問題。

靈活性好。當(dāng)其中一層的技術(shù)變化時，只要層間接口關(guān)系保持不變，其他層不受影響。

易于實現(xiàn)和維護(hù)。

促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作。分開后，每層功能可以相對簡單地被描述。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層的缺點：功能可能出現(xiàn)在多個層里，產(chǎn)生了額外開銷。

為了使不同體系結(jié)構(gòu)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)都能互聯(lián)，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO 于1977年提出了一個試圖使各種計算機(jī)在世界范圍內(nèi)互聯(lián)成網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)框架，即著名的開放系統(tǒng)互聯(lián)基本參考模型OSI/RM，簡稱為OSI。

OSI 的七層協(xié)議體系結(jié)構(gòu)的概念清楚，理論也較完整，但它既復(fù)雜又不實用，TCP/IP 體系結(jié)構(gòu)則不同，但它現(xiàn)在卻得到了非常廣泛的應(yīng)用。TCP/IP 是一個四層體系結(jié)構(gòu)，它包含應(yīng)用層，運輸層，網(wǎng)際層和網(wǎng)絡(luò)接口層（用網(wǎng)際層這個名字是強(qiáng)調(diào)這一層是為了解決不同網(wǎng)絡(luò)的互連問題），不過從實質(zhì)上講，TCP/IP 只有最上面的三層，因為最下面的網(wǎng)絡(luò)接口層并沒有什么具體內(nèi)容，因此在學(xué)習(xí)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的原理時往往采用折中的辦法，即綜合 OSI 和 TCP/IP 的優(yōu)點，采用一種只有五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)，這樣既簡潔又能將概念闡述清楚，有時為了方便，也可把最底下兩層稱為網(wǎng)絡(luò)接口層。

四層協(xié)議，五層協(xié)議和七層協(xié)議的關(guān)系如下：

TCP/IP是一個四層的體系結(jié)構(gòu)，主要包括：應(yīng)用層、運輸層、網(wǎng)際層和網(wǎng)絡(luò)接口層。

五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)主要包括：應(yīng)用層、運輸層、網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。

OSI七層協(xié)議模型主要包括是：應(yīng)用層（Application）、表示層（Presentation）、會話層（Session）、運輸層（Transport）、網(wǎng)絡(luò)層（Network）、數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link）、物理層（Physical）。

注：五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)只是為了介紹網(wǎng)絡(luò)原理而設(shè)計的，實際應(yīng)用還是 TCP/IP 四層體系結(jié)構(gòu)。

TCP/IP 協(xié)議族

應(yīng)用層

應(yīng)用層( application-layer ）的任務(wù)是通過應(yīng)用進(jìn)程間的交互來完成特定網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。應(yīng)用層協(xié)議定義的是應(yīng)用進(jìn)程（進(jìn)程：主機(jī)中正在運行的程序）間的通信和交互的規(guī)則。

對于不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需要不同的應(yīng)用層協(xié)議。在互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用層協(xié)議很多，如域名系統(tǒng) DNS，支持萬維網(wǎng)應(yīng)用的 HTTP 協(xié)議，支持電子郵件的 SMTP 協(xié)議等等。

運輸層

運輸層(transport layer)的主要任務(wù)就是負(fù)責(zé)向兩臺主機(jī)進(jìn)程之間的通信提供通用的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。應(yīng)用進(jìn)程利用該服務(wù)傳送應(yīng)用層報文。

運輸層主要使用一下兩種協(xié)議

傳輸控制協(xié)議-TCP：提供面向連接的，可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

用戶數(shù)據(jù)協(xié)議-UDP：提供無連接的，盡最大努力的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)（不保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?/p>

每一個應(yīng)用層（TCP/IP參考模型的最高層）協(xié)議一般都會使用到兩個傳輸層協(xié)議之一：

運行在TCP協(xié)議上的協(xié)議：

HTTP（Hypertext Transfer Protocol，超文本傳輸協(xié)議），主要用于普通瀏覽。

HTTPS（HTTP over SSL，安全超文本傳輸協(xié)議）,HTTP協(xié)議的安全版本。

FTP（File Transfer Protocol，文件傳輸協(xié)議），用于文件傳輸。

POP3（Post Office Protocol, version 3，郵局協(xié)議），收郵件用。

SMTP（Simple Mail Transfer Protocol，簡單郵件傳輸協(xié)議），用來發(fā)送電子郵件。

TELNET（Teletype over the Network，網(wǎng)絡(luò)電傳），通過一個終端（terminal）登陸到網(wǎng)絡(luò)。

SSH（Secure Shell，用于替代安全性差的TELNET），用于加密安全登陸用。

運行在UDP協(xié)議上的協(xié)議：

BOOTP（Boot Protocol，啟動協(xié)議），應(yīng)用于無盤設(shè)備。

NTP（Network Time Protocol，網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議），用于網(wǎng)絡(luò)同步。

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議），動態(tài)配置IP地址。

運行在TCP和UDP協(xié)議上：

DNS（Domain Name Service，域名服務(wù)），用于完成地址查找，郵件轉(zhuǎn)發(fā)等工作。

網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)就是選擇合適的網(wǎng)間路由和交換結(jié)點，確保計算機(jī)通信的數(shù)據(jù)及時傳送。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，網(wǎng)絡(luò)層把運輸層產(chǎn)生的報文段或用戶數(shù)據(jù)報封裝成分組和包進(jìn)行傳送。在 TCP/IP 體系結(jié)構(gòu)中，由于網(wǎng)絡(luò)層使用 IP 協(xié)議，因此分組也叫 IP 數(shù)據(jù)報 ，簡稱數(shù)據(jù)報。

互聯(lián)網(wǎng)是由大量的異構(gòu)（heterogeneous）網(wǎng)絡(luò)通過路由器（router）相互連接起來的?；ヂ?lián)網(wǎng)使用的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議是無連接的網(wǎng)際協(xié)議（Intert Prococol）和許多路由選擇協(xié)議，因此互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層也叫做網(wǎng)際層或 IP 層。

數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層(data link layer)通常簡稱為鏈路層。兩臺主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，總是在一段一段的鏈路上傳送的，這就需要使用專門的鏈路層的協(xié)議。

在兩個相鄰節(jié)點之間傳送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)鏈路層將網(wǎng)絡(luò)層交下來的 IP 數(shù)據(jù)報組裝成幀，在兩個相鄰節(jié)點間的鏈路上傳送幀。每一幀包括數(shù)據(jù)和必要的控制信息（如同步信息，地址信息，差錯控制等）。

在接收數(shù)據(jù)時，控制信息使接收端能夠知道一個幀從哪個比特開始和到哪個比特結(jié)束。

一般的web應(yīng)用的通信傳輸流是這樣的：

發(fā)送端在層與層之間傳輸數(shù)據(jù)時，每經(jīng)過一層時會被打上一個該層所屬的首部信息。反之，接收端在層與層之間傳輸數(shù)據(jù)時，每經(jīng)過一層時會把對應(yīng)的首部信息去除。

物理層

在物理層上所傳送的數(shù)據(jù)單位是比特。物理層(physical layer)的作用是實現(xiàn)相鄰計算機(jī)節(jié)點之間比特流的透明傳送，盡可能屏蔽掉具體傳輸介質(zhì)和物理設(shè)備的差異。使其上面的數(shù)據(jù)鏈路層不必考慮網(wǎng)絡(luò)的具體傳輸介質(zhì)是什么?！巴该鱾魉捅忍亓鳌北硎窘?jīng)實際電路傳送后的比特流沒有發(fā)生變化，對傳送的比特流來說，這個電路好像是看不見的。

TCP/IP 協(xié)議族

在互聯(lián)網(wǎng)使用的各種協(xié)議中最重要和最著名的就是 TCP/IP 兩個協(xié)議?，F(xiàn)在人們經(jīng)常提到的 TCP/IP 并不一定是單指 TCP 和 IP 這兩個具體的協(xié)議，而往往是表示互聯(lián)網(wǎng)所使用的整個 TCP/IP 協(xié)議族。

互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議套件（英語：Internet Protocol Suite，縮寫IPS）是一個網(wǎng)絡(luò)通訊模型，以及一整個網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議家族，為網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)通訊架構(gòu)。它常被通稱為TCP/IP協(xié)議族（英語：TCP/IP Protocol Suite，或TCP/IP Protocols），簡稱TCP/IP。因為該協(xié)定家族的兩個核心協(xié)定：TCP（傳輸控制協(xié)議）和IP（網(wǎng)際協(xié)議），為該家族中最早通過的標(biāo)準(zhǔn)。

劃重點：

TCP（傳輸控制協(xié)議）和IP（網(wǎng)際協(xié)議） 是最先定義的兩個核心協(xié)議，所以才統(tǒng)稱為TCP/IP協(xié)議族

TCP的三次握手四次揮手

TCP是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議，在發(fā)送數(shù)據(jù)前，通信雙方必須在彼此間建立一條連接。所謂的“連接”，其實是客戶端和服務(wù)端保存的一份關(guān)于對方的信息，如ip地址、端口號等。

TCP可以看成是一種字節(jié)流，它會處理IP層或以下的層的丟包、重復(fù)以及錯誤問題。在連接的建立過程中，雙方需要交換一些連接的參數(shù)。這些參數(shù)可以放在TCP頭部。

一個TCP連接由一個4元組構(gòu)成，分別是兩個IP地址和兩個端口號。一個TCP連接通常分為三個階段：連接、數(shù)據(jù)傳輸、退出（關(guān)閉）。通過三次握手建立一個鏈接，通過四次揮手來關(guān)閉一個連接。

當(dāng)一個連接被建立或被終止時，交換的報文段只包含TCP頭部，而沒有數(shù)據(jù)。

TCP報文的頭部結(jié)構(gòu)

在了解TCP連接之前先來了解一下TCP報文的頭部結(jié)構(gòu)。

上圖中有幾個字段需要重點介紹下：

（1）序號：seq序號，占32位，用來標(biāo)識從TCP源端向目的端發(fā)送的字節(jié)流，發(fā)起方發(fā)送數(shù)據(jù)時對此進(jìn)行標(biāo)記。

（2）確認(rèn)序號：ack序號，占32位，只有ACK標(biāo)志位為1時，確認(rèn)序號字段才有效，ack=seq+1。

（3）標(biāo)志位：共6個，即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等，具體含義如下：

ACK：確認(rèn)序號有效。

FIN：釋放一個連接。

PSH：接收方應(yīng)該盡快將這個報文交給應(yīng)用層。

RST：重置連接。

SYN：發(fā)起一個新連接。

URG：緊急指針（urgent pointer）有效。

需要注意的是：

不要將確認(rèn)序號ack與標(biāo)志位中的ACK搞混了。

確認(rèn)方ack=發(fā)起方seq+1，兩端配對。

三次握手

三次握手的本質(zhì)是確認(rèn)通信雙方收發(fā)數(shù)據(jù)的能力

首先，我讓信使運輸一份信件給對方，對方收到了，那么他就知道了我的發(fā)件能力和他的收件能力是可以的。

于是他給我回信，我若收到了，我便知我的發(fā)件能力和他的收件能力是可以的，并且他的發(fā)件能力和我的收件能力是可以。

然而此時他還不知道他的發(fā)件能力和我的收件能力到底可不可以，于是我最后回饋一次，他若收到了，他便清楚了他的發(fā)件能力和我的收件能力是可以的。

這，就是三次握手，這樣說，你理解了嗎？

第一次握手：客戶端要向服務(wù)端發(fā)起連接請求，首先客戶端隨機(jī)生成一個起始序列號ISN(比如是100)，那客戶端向服務(wù)端發(fā)送的報文段包含SYN標(biāo)志位(也就是SYN=1)，序列號seq=100。

第二次握手：服務(wù)端收到客戶端發(fā)過來的報文后，發(fā)現(xiàn)SYN=1，知道這是一個連接請求，于是將客戶端的起始序列號100存起來，并且隨機(jī)生成一個服務(wù)端的起始序列號(比如是300)。然后給客戶端回復(fù)一段報文，回復(fù)報文包含SYN和ACK標(biāo)志(也就是SYN=1,ACK=1)、序列號seq=300、確認(rèn)號ack=101(客戶端發(fā)過來的序列號+1)。

第三次握手：客戶端收到服務(wù)端的回復(fù)后發(fā)現(xiàn)ACK=1并且ack=101,于是知道服務(wù)端已經(jīng)收到了序列號為100的那段報文；同時發(fā)現(xiàn)SYN=1，知道了服務(wù)端同意了這次連接，于是就將服務(wù)端的序列號300給存下來。然后客戶端再回復(fù)一段報文給服務(wù)端，報文包含ACK標(biāo)志位(ACK=1)、ack=301(服務(wù)端序列號+1)、seq=101(第一次握手時發(fā)送報文是占據(jù)一個序列號的，所以這次seq就從101開始，需要注意的是不攜帶數(shù)據(jù)的ACK報文是不占據(jù)序列號的，所以后面第一次正式發(fā)送數(shù)據(jù)時seq還是101)。當(dāng)服務(wù)端收到報文后發(fā)現(xiàn)ACK=1并且ack=301，就知道客戶端收到序列號為300的報文了，就這樣客戶端和服務(wù)端通過TCP建立了連接。

四次揮手

四次揮手的目的是關(guān)閉一個連接

比如客戶端初始化的序列號ISA=100，服務(wù)端初始化的序列號ISA=300。TCP連接成功后客戶端總共發(fā)送了1000個字節(jié)的數(shù)據(jù)，服務(wù)端在客戶端發(fā)FIN報文前總共回復(fù)了2000個字節(jié)的數(shù)據(jù)。

第一次揮手：當(dāng)客戶端的數(shù)據(jù)都傳輸完成后，客戶端向服務(wù)端發(fā)出連接釋放報文(當(dāng)然數(shù)據(jù)沒發(fā)完時也可以發(fā)送連接釋放報文并停止發(fā)送數(shù)據(jù))，釋放連接報文包含F(xiàn)IN標(biāo)志位(FIN=1)、序列號seq=1101(100+1+1000，其中的1是建立連接時占的一個序列號)。需要注意的是客戶端發(fā)出FIN報文段后只是不能發(fā)數(shù)據(jù)了，但是還可以正常收數(shù)據(jù)；另外FIN報文段即使不攜帶數(shù)據(jù)也要占據(jù)一個序列號。

第二次揮手：服務(wù)端收到客戶端發(fā)的FIN報文后給客戶端回復(fù)確認(rèn)報文，確認(rèn)報文包含ACK標(biāo)志位(ACK=1)、確認(rèn)號ack=1102(客戶端FIN報文序列號1101+1)、序列號seq=2300(300+2000)。此時服務(wù)端處于關(guān)閉等待狀態(tài)，而不是立馬給客戶端發(fā)FIN報文，這個狀態(tài)還要持續(xù)一段時間，因為服務(wù)端可能還有數(shù)據(jù)沒發(fā)完。

第三次揮手：服務(wù)端將最后數(shù)據(jù)(比如50個字節(jié))發(fā)送完畢后就向客戶端發(fā)出連接釋放報文，報文包含F(xiàn)IN和ACK標(biāo)志位(FIN=1,ACK=1)、確認(rèn)號和第二次揮手一樣ack=1102、序列號seq=2350(2300+50)。

第四次揮手：客戶端收到服務(wù)端發(fā)的FIN報文后，向服務(wù)端發(fā)出確認(rèn)報文，確認(rèn)報文包含ACK標(biāo)志位(ACK=1)、確認(rèn)號ack=2351、序列號seq=1102。注意客戶端發(fā)出確認(rèn)報文后不是立馬釋放TCP連接，而是要經(jīng)過2MSL(最長報文段壽命的2倍時長)后才釋放TCP連接。而服務(wù)端一旦收到客戶端發(fā)出的確認(rèn)報文就會立馬釋放TCP連接，所以服務(wù)端結(jié)束TCP連接的時間要比客戶端早一些。

常見面試題

為什么TCP連接的時候是3次？2次不可以嗎？

因為需要考慮連接時丟包的問題，如果只握手2次，第二次握手時如果服務(wù)端發(fā)給客戶端的確認(rèn)報文段丟失，此時服務(wù)端已經(jīng)準(zhǔn)備好了收發(fā)數(shù)(可以理解服務(wù)端已經(jīng)連接成功)據(jù)，而客戶端一直沒收到服務(wù)端的確認(rèn)報文，所以客戶端就不知道服務(wù)端是否已經(jīng)準(zhǔn)備好了(可以理解為客戶端未連接成功)，這種情況下客戶端不會給服務(wù)端發(fā)數(shù)據(jù)，也會忽略服務(wù)端發(fā)過來的數(shù)據(jù)。

如果是三次握手，即便發(fā)生丟包也不會有問題，比如如果第三次握手客戶端發(fā)的確認(rèn)ack報文丟失，服務(wù)端在一段時間內(nèi)沒有收到確認(rèn)ack報文的話就會重新進(jìn)行第二次握手，也就是服務(wù)端會重發(fā)SYN報文段，客戶端收到重發(fā)的報文段后會再次給服務(wù)端發(fā)送確認(rèn)ack報文。

為什么TCP連接的時候是3次，關(guān)閉的時候卻是4次？

因為只有在客戶端和服務(wù)端都沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送的時候才能斷開TCP。而客戶端發(fā)出FIN報文時只能保證客戶端沒有數(shù)據(jù)發(fā)了，服務(wù)端還有沒有數(shù)據(jù)發(fā)客戶端是不知道的。而服務(wù)端收到客戶端的FIN報文后只能先回復(fù)客戶端一個確認(rèn)報文來告訴客戶端我服務(wù)端已經(jīng)收到你的FIN報文了，但我服務(wù)端還有一些數(shù)據(jù)沒發(fā)完，等這些數(shù)據(jù)發(fā)完了服務(wù)端才能給客戶端發(fā)FIN報文(所以不能一次性將確認(rèn)報文和FIN報文發(fā)給客戶端，就是這里多出來了一次)。

為什么客戶端發(fā)出第四次揮手的確認(rèn)報文后要等2MSL的時間才能釋放TCP連接？

這里同樣是要考慮丟包的問題，如果第四次揮手的報文丟失，服務(wù)端沒收到確認(rèn)ack報文就會重發(fā)第三次揮手的報文，這樣報文一去一回最長時間就是2MSL，所以需要等這么長時間來確認(rèn)服務(wù)端確實已經(jīng)收到了。

如果已經(jīng)建立了連接，但是客戶端突然出現(xiàn)故障了怎么辦？

TCP設(shè)有一個?；钣嫊r器，客戶端如果出現(xiàn)故障，服務(wù)器不能一直等下去，白白浪費資源。服務(wù)器每收到一次客戶端的請求后都會重新復(fù)位這個計時器，時間通常是設(shè)置為2小時，若兩小時還沒有收到客戶端的任何數(shù)據(jù)，服務(wù)器就會發(fā)送一個探測報文段，以后每隔75秒鐘發(fā)送一次。若一連發(fā)送10個探測報文仍然沒反應(yīng)，服務(wù)器就認(rèn)為客戶端出了故障，接著就關(guān)閉連接。

審核編輯：湯梓紅