TCP鏈接與斷開 -- 三次握手&四次揮手

三次握手

TCP 提供面向有連接的通信傳輸。面向有連接是指在數據通信開始之前先做好兩端之間的準備工作。

所謂三次握手是指建立一個 TCP 連接時需要客戶端和服務器端總共發送三個包以確認連接的建立。在socket編程中，這一過程由客戶端執行connect來觸發。

第一次握手：客戶端將標志位SYN置為1，隨機產生一個值seq=J，并將該數據包發送給服務器端，客戶端進入SYN_SENT狀態，等待服務器端確認。

第二次握手：服務器端收到數據包后由標志位SYN=1知道客戶端請求建立連接，服務器端將標志位SYN和ACK都置為1，ack=J+1，隨機產生一個值seq=K，并將該數據包發送給客戶端以確認連接請求，服務器端進入SYN_RCVD狀態。

第三次握手：客戶端收到確認后，檢查ack是否為J+1，ACK是否為1，如果正確則將標志位ACK置為1，ack=K+1，并將該數據包發送給服務器端，服務器端檢查ack是否為K+1，ACK是否為1，如果正確則連接建立成功，客戶端和服務器端進入ESTABLISHED狀態，完成三次握手，隨后客戶端與服務器端之間可以開始傳輸數據了。

四次揮手

四次揮手即終止TCP連接，就是指斷開一個TCP連接時，需要客戶端和服務端總共發送4個包以確認連接的斷開。在socket編程中，這一過程由客戶端或服務端任一方執行close來觸發。

由于TCP連接是全雙工的，因此，每個方向都必須要單獨進行關閉，這一原則是當一方完成數據發送任務后，發送一個FIN來終止這一方向的連接，收到一個FIN只是意味著這一方向上沒有數據流動了，即不會再收到數據了，但是在這個TCP連接上仍然能夠發送數據，直到這一方向也發送了FIN。首先進行關閉的一方將執行主動關閉，而另一方則執行被動關閉。

1. 客戶端進程發出連接釋放報文，并且停止發送數據。釋放數據報文首部，FIN=1，其序列號為seq=u（等于前面已經傳送過來的數據的最后一個字節的序號加1），此時，客戶端進入FIN-WAIT-1（終止等待1）狀態。 TCP規定，FIN報文段即使不攜帶數據，也要消耗一個序號。

2. 服務器收到連接釋放報文，發出確認報文，ACK=1，ack=u+1，并且帶上自己的序列號seq=v，此時，服務端就進入了CLOSE-WAIT（關閉等待）狀態。TCP服務器通知高層的應用進程，客戶端向服務器的方向就釋放了，這時候處于半關閉狀態，即客戶端已經沒有數據要發送了，但是服務器若發送數據，客戶端依然要接受。這個狀態還要持續一段時間，也就是整個CLOSE-WAIT狀態持續的時間。

3. 客戶端收到服務器的確認請求后，此時，客戶端就進入FIN-WAIT-2（終止等待2）狀態，等待服務器發送連接釋放報文（在這之前還需要接受服務器發送的最后的數據）。

4. 服務器將最后的數據發送完畢后，就向客戶端發送連接釋放報文，FIN=1，ack=u+1，由于在半關閉狀態，服務器很可能又發送了一些數據，假定此時的序列號為seq=w，此時，服務器就進入了LAST-ACK（最后確認）狀態，等待客戶端的確認。

5. 客戶端收到服務器的連接釋放報文后，必須發出確認，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列號是seq=u+1，此時，客戶端就進入了TIME-WAIT（時間等待）狀態。注意此時TCP連接還沒有釋放，必須經過2??MSL（最長報文段壽命）的時間后，當客戶端撤銷相應的TCB后，才進入CLOSED狀態。

6. 服務器只要收到了客戶端發出的確認，立即進入CLOSED狀態。同樣，撤銷TCB后，就結束了這次的TCP連接。可以看到，服務器結束TCP連接的時間要比客戶端早一些。

TCP/IP中的數據包

每個分層中，都會對所發送的數據附加一個首部，在這個首部中包含了該層必要的信息，如發送的目標地址以及協議相關信息。通常，為協議提供的信息為包首部，所要發送的內容為數據。在下一層的角度看，從上一層收到的包全部都被認為是本層的數據。

網絡中傳輸的數據包由兩部分組成：一部分是協議所要用到的首部，另一部分是上一層傳過來的數據。首部的結構由協議的具體規范詳細定義。在數據包的首部，明確標明了協議應該如何讀取數據。反過來說，看到首部，也就能夠了解該協議必要的信息以及所要處理的數據。

· ① 應用程序處理
首先應用程序會進行編碼處理，這些編碼相當于 OSI 的表示層功能；
編碼轉化后，郵件不一定馬上被發送出去，這種何時建立通信連接何時發送數據的管理功能，相當于 OSI 的會話層功能。

· ② TCP 模塊的處理
TCP 根據應用的指示，負責建立連接、發送數據以及斷開連接。TCP 提供將應用層發來的數據順利發送至對端的可靠傳輸。為了實現這一功能，需要在應用層數據的前端附加一個 TCP 首部。

· ③ IP 模塊的處理
IP 將 TCP 傳過來的 TCP 首部和 TCP 數據合起來當做自己的數據，并在 TCP 首部的前端加上自己的 IP 首部。IP 包生成后，參考路由控制表決定接受此 IP 包的路由或主機。

· ④ 網絡接口（以太網驅動）的處理
從 IP 傳過來的 IP 包對于以太網來說就是數據。給這些數據附加上以太網首部并進行發送處理，生成的以太網數據包將通過物理層傳輸給接收端。

· ⑤ 網絡接口（以太網驅動）的處理
主機收到以太網包后，首先從以太網包首部找到 MAC 地址判斷是否為發送給自己的包，若不是則丟棄數據。
如果是發送給自己的包，則從以太網包首部中的類型確定數據類型，再傳給相應的模塊，如 IP、ARP 等。這里的例子則是 IP 。

· ⑥ IP 模塊的處理
IP 模塊接收到 數據后也做類似的處理。從包首部中判斷此 IP 地址是否與自己的 IP 地址匹配，如果匹配則根據首部的協議類型將數據發送給對應的模塊，如 TCP、UDP。這里的例子則是 TCP。
另外嗎，對于有路由器的情況，接收端地址往往不是自己的地址，此時，需要借助路由控制表，在調查應該送往的主機或路由器之后再進行轉發數據。

· ⑦ TCP 模塊的處理
在 TCP 模塊中，首先會計算一下校驗和，判斷數據是否被破壞。然后檢查是否在按照序號接收數據。最后檢查端口號，確定具體的應用程序。數據被完整地接收以后，會傳給由端口號識別的應用程序。

· ⑧ 應用程序的處理
接收端應用程序會直接接收發送端發送的數據。通過解析數據，展示相應的內容。

TCP 中通過序列號與確認應答提高可靠性

在 TCP協議頭中，當發送端的數據到達接收主機時，接收端主機會返回一個已收到消息的通知。這個消息叫做確認應答（ACK）。當發送端將數據發出之后會等待對端的確認應答。如果有確認應答，說明數據已經成功到達對端。反之，則數據丟失的可能性很大。

在一定時間內沒有等待到確認應答，發送端就可以認為數據已經丟失，并進行重發。由此，即使產生了丟包，仍然能夠保證數據能夠到達對端，實現可靠傳輸。

未收到確認應答并不意味著數據一定丟失。也有可能是數據對方已經收到，只是返回的確認應答在途中丟失。這種情況也會導致發送端誤以為數據沒有到達目的地而重發數據。

此外，也有可能因為一些其他原因導致確認應答延遲到達，在源主機重發數據以后才到達的情況也屢見不鮮。此時，源主機只要按照機制重發數據即可。

對于目標主機來說，反復收到相同的數據是不可取的。為了對上層應用提供可靠的傳輸，目標主機必須放棄重復的數據包。為此我們引入了序列號。

序列號是按照順序給發送數據的每一個字節（8位字節）都標上號碼的編號。接收端查詢接收數據 TCP 首部中的序列號和數據的長度，將自己下一步應該接收的序列號作為確認應答返送回去。通過序列號和確認應答號，TCP 能夠識別是否已經接收數據，又能夠判斷是否需要接收，從而實現可靠傳輸。

TCP協議中得標識位整理

標識位：URG, ACK, PSH, RST, SYN, FIN 共6個每一個標識位都有自己得功能

標識	中文翻譯	含義
URG	緊急指針標識	為1標識緊急指針有效，為0則忽略緊急指針
ACK	確認序號標識	為1標識確認號有效，為0表示報文中不含確認消息可忽略確認號屬性
PSH	接收信號標識	為1標識帶有qush標識得數據指示接收方在收到該報文后，應盡快將該報文交給應用程序而不是在緩沖區排隊
SYN	同步序號標識	用于建立連接過程，在請求連接時，SYN=1和ACK=0標識該數據段沒有使用捎帶的消息確認域，而連接應答捎帶一個確認，即SYN=1和ACK=1
FIN	完成標識	用于釋放鏈接，為1表示發送當已經沒有數據發送了，即可關閉本次數據流
RST	重置鏈接標識	用于重置由于主機崩潰或其他原因導致的錯誤連接，或用于拒絕非法報文段和拒絕連接請求