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[操作系统]【linux】关于TCP三次握手和四次挥手


1、TCP是什么

关于OSI的七层模型

  • TCP在第四层——Transport层,第四层的数据叫Segment-》报文
  • IP在第三层——Network层,在第三层上的数据叫Packet-》数据包
  • ARP在第二层——Data Link层;在第二层上的数据,我们把它叫Frame-》帧

数据从应用层发下来,会在每一层都会加上头部信息,进行封装,然后再发送到数据接收端,就是每个数据都会经过数据的封装和解封装的过程。

wireshark抓到的包与对应的协议层如下图所示

 

  • Frame 36441: 物理层的数据帧概况
  • Ethernet II: 数据链路层以太网帧头部信息
  • Internet Protocol Version 4: IPV4 网络层
  • Transmission Control Protocol: TCP 传输层
  • Hypertext Transfer Protocol: 应用层 HTTP

在OSI七层模型中,每一层的作用和对应的协议如下:

wireshark抓到的传输层的报文

TCP是一个协议,那这个协议是如何定义的,它的数据格式是什么样子的呢

上面就是TCP协议头部的格式,由于它太重要了,是理解其它内容的基础,下面就将每个字段的信息都详细的说明一下

  • Source PortDestination 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URGACKPSHRSTSYNFIN。每个标志位的意思如下:
    • URG:此标志表示TCP包的紧急指针域有效,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;这是一个复杂的问题,这篇博文中并不会进行总结的

关于三次握手和四次挥手

wireshark 抓包

一个反向代理中的网络连接

 

2、三次握手又是什么

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。

第一次握手:建立连接。客户端发送连接请求报文段,将SYN位置为1,Sequence Number为x;然后,客户端进入SYN_SEND状态,等待服务器的确认;

第二次握手:服务器收到SYN报文段。服务器收到客户端的SYN报文段,需要对这个SYN报文段进行确认,设置Acknowledgment Number为x+1(Sequence Number+1);同时,自己自己还要发送SYN请求信息,将SYN位置为1,Sequence Number为y;服务器端将上述所有信息放到一个报文段(即SYN+ACK报文段)中,一并发送给客户端,此时服务器进入SYN_RECV状态;

第三次握手:客户端收到服务器的SYN+ACK报文段。然后将Acknowledgment Number设置为y+1,向服务器发送ACK报文段,这个报文段发送完毕以后,客户端和服务器端都进入ESTABLISHED状态,完成TCP三次握手。

完成了三次握手,客户端和服务器端就可以开始传送数据,使用tcpdump在服务器上抓包,可以看到

[root@dev ~]# tcpdump -i lo port 12000tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decodelistening on lo, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 65535 bytes22:58:54.952917 IP localhost.48383 > localhost.entextxid: Flags [S], seq 439289121, win 65495, options [mss 65495,sackOK,TS val 4017863386 ecr 0,nop,wscale 7], length 022:58:54.952928 IP localhost.entextxid > localhost.48383: Flags [S.], seq 3569639229, ack 439289122, win 65483, options [mss 65495,sackOK,TS val 4017863386 ecr 4017863386,nop,wscale 7], length 022:58:54.952938 IP localhost.48383 > localhost.entextxid: Flags [.], ack 1, win 512, options [nop,nop,TS val 4017863386 ecr 4017863386], length 0

我们可以看到

client => server   seq = 439289121 flags = S  

server=>client  ack=seq+1=439289122 , seq = 3569639229 flags = S

client=>server ack=1 flags = 空

  • Win:窗口字段明确指出现在允许对方发送的数据量(经常变化)
  • MSS(Maximum Segment Size):最大报文段长度,即每个TCP报文段中的数据字段的最大长度.这里需要在握手的时候进行协商,双方都给出MSS,最后以最小MSS确定为最终的MSS.IP数据报最大传输单位为MTU(Maximum Transmission Unit,Effect of short board),对于大多数使用以太网的局域网来说,MTU=1500。MSS往往基于MTU计算出来,通常MSS=MTU-sizeof(IP Header)-sizeof(TCP Header)=1500-20-20=1460
  • sackOK 确认字段

连接建立之后,我们在发送一条命令

23:08:44.906783 IP localhost.48387 > localhost.entextxid: Flags [P.], seq 1:8, ack 1, win 512, options [nop,nop,TS val 4018453340 ecr 4018450643], length 723:08:44.906802 IP localhost.entextxid > localhost.48387: Flags [.], ack 8, win 512, options [nop,nop,TS val 4018453340 ecr 4018453340], length 023:08:44.906997 IP localhost.entextxid > localhost.48387: Flags [P.], seq 1:1174, ack 8, win 512, options [nop,nop,TS val 4018453340 ecr 4018453340], length 117323:08:44.907008 IP localhost.48387 > localhost.entextxid: Flags [.], ack 1174, win 531, options [nop,nop,TS val 4018453340 ecr 4018453340], length 0

3、那四次分手呢?

由于TCP连接是全双工的,因此每个方向都必须单独进行关闭。这个原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个FIN只意味着这一方向上没有数据流动,一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方执行被动关闭

第一次分手:主机1(可以使客户端,也可以是服务器端),设置Sequence NumberAcknowledgment Number,向主机2发送一个FIN报文段;此时,主机1进入FIN_WAIT_1状态;这表示主机1没有数据要发送给主机2了;

第二次分手:主机2收到了主机1发送的FIN报文段,向主机1回一个ACK报文段,Acknowledgment NumberSequence Number加1;主机1进入FIN_WAIT_2状态;主机2告诉主机1,我也没有数据要发送了,可以进行关闭连接了;

第三次分手:主机2向主机1发送FIN报文段,请求关闭连接,同时主机2进入CLOSE_WAIT状态;

第四次分手:主机1收到主机2发送的FIN报文段,向主机2发送ACK报文段,然后主机1进入TIME_WAIT状态;主机2收到主机1的ACK报文段以后,就关闭连接;此时,主机1等待2MSL后依然没有收到回复,则证明Server端已正常关闭,那好,主机1也可以关闭连接了。

至此,TCP的四次分手就这么愉快的完成了

4、为什么要三次握手

  • LISTEN: 这个也是非常容易理解的一个状态,表示服务器端的某个SOCKET处于监听状态,可以接受连接了。 
  • SYN_SENT: 当客户端SOCKET执行CONNECT连接时,它首先发送SYN报文,因此也随即它会进入到了SYN_SENT状态,并等待服务端的发送三次握手中的第2个报文。SYN_SENT状态表示客户端已发送SYN报文。(发送端)
  • SYN_RCVD: 这个状态与SYN_SENT遥想呼应这个状态表示接受到了SYN报文,在正常情况下,这个状态是服务器端的SOCKET在建立TCP连接时的三次握手会话过程中的一个中间状态,很短暂,基本上用netstat你是很难看到这种状态的,除非你特意写了一个客户端测试程序,故意将三次TCP握手过程中最后一个 ACK报文不予发送。因此这种状态时,当收到客户端的ACK报文后,它会进入到ESTABLISHED状态。(服务器端)
  • ESTABLISHED:这个容易理解了,表示连接已经建立了。

既然总结了TCP的三次握手,那为什么非要三次呢?怎么觉得两次就可以完成了。那TCP为什么非要进行三次连接呢?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却以为新的运输连接已经建立,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。

5、为什么要四次分手

TCP协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的运输层通信协议,是全双工模式,因此每个方向都必须单独进行关闭。这个原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个FIN只意味着这一方向上没有数据流动,一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方执行被动关闭

当主机1发出FIN报文段时,只是表示主机1已经没有数据要发送了,主机1告诉主机2,它的数据已经全部发送完毕了;但是,这个时候主机1还是可以接受来自主机2的数据;当主机2返回ACK报文段时,表示它已经知道主机1没有数据发送了,但是主机2还是可以发送数据到主机1的;当主机2也发送了FIN报文段时,这个时候就表示主机2也没有数据要发送了,就会告诉主机1,我也没有数据要发送了,之后彼此就会愉快的中断这次TCP连接。如果要正确的理解四次分手的原理,就需要了解四次分手过程中的状态变化。

  • FIN_WAIT_1: 这个状态要好好解释一下,其实FIN_WAIT_1FIN_WAIT_2状态的真正含义都是表示等待对方的FIN报文。而这两种状态的区别是:FIN_WAIT_1状态实际上是当SOCKET在ESTABLISHED状态时,它想主动关闭连接,向对方发送了FIN报文,此时该SOCKET即进入到FIN_WAIT_1状态。而当对方回应ACK报文后,则进入到FIN_WAIT_2状态,当然在实际的正常情况下,无论对方何种情况下,都应该马上回应ACK报文,所以FIN_WAIT_1状态一般是比较难见到的,而FIN_WAIT_2状态还有时常常可以用netstat看到。(主动方)
  • FIN_WAIT_2:上面已经详细解释了这种状态,实际上FIN_WAIT_2状态下的SOCKET,表示半连接,也即有一方要求close连接,但另外还告诉对方,我暂时还有点数据需要传送给你(ACK信息),稍后再关闭连接。(主动方)
  • CLOSE_WAIT:这种状态的含义其实是表示在等待关闭。怎么理解呢?当对方close一个SOCKET后发送FIN报文给自己,你系统毫无疑问地会回应一个ACK报文给对方,此时则进入到CLOSE_WAIT状态。接下来呢,实际上你真正需要考虑的事情是察看你是否还有数据发送给对方,如果没有的话,那么你也就可以 close这个SOCKET,发送FIN报文给对方,也即关闭连接。所以你在CLOSE_WAIT状态下,需要完成的事情是等待你去关闭连接。(被动方)
  • LAST_ACK: 这个状态还是比较容易好理解的,它是被动关闭一方在发送FIN报文后,最后等待对方的ACK报文。当收到ACK报文后,也即可以进入到CLOSED可用状态了。(被动方)
  • TIME_WAIT: 表示收到了对方的FIN报文,并发送出了ACK报文,就等2MSL后即可回到CLOSED可用状态了。如果FINWAIT1状态下,收到了对方同时带FIN标志和ACK标志的报文时,可以直接进入到TIME_WAIT状态,而无须经过FIN_WAIT_2状态。(主动方)
  • CLOSED: 表示连接中断。

6、为什么采用3次握手而不是2次握手

如果两次握手的话,客户端有可能因为网络阻塞等原因会发送多个请求报文,这时服务器就会建立连接,浪费掉许多服务器的资源.

7、为什么建立连接是三次握手,而关闭连接却是四次挥手呢

这是因为服务端在LISTEN状态下,收到建立连接请求的SYN报文后,把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时,当收到对方的FIN报文时,仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据,己方也未必全部数据都发送给对方了,所以己方可以立即close,也可以发送一些数据给对方后,再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接,因此,己方ACK和FIN一般都会分开发送。

8、为什么在四次挥手中必须等待2MSL的时间

什么是2MSL

MSL是Maximum Segment Lifetime,译为“报文最大生存时间”,他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。

2MSL即两倍的MSL,TCP的TIME_WAIT状态也称为2MSL等待状态,当TCP的一端发起主动关闭,在发出最后一个ACK包后,即第3次握手完成后发送了第四次握手的ACK包后就进入了TIME_WAIT状态,必须在此状态上停留两倍的MSL时间。(RFC 793中规定MSL为2分钟,实际应用中常用的是30秒,1分钟和2分钟等)

 

等待2MSL时间主要目的是怕最后一个ACK包对方没收到,那么对方在超时后将重发第三次握手的FIN包,主动关闭端接到重发的FIN包后可以再发一个ACK应答包。在TIME_WAIT状态时两端的端口不能使用,要等到2MSL时间结束才可继续使用。当连接处于2MSL等待阶段时任何迟到的报文段都将被丢弃。不过在实际应用中可以通过设置SO_REUSEADDR选项达到不必等待2MSL时间结束再使用此端口。


生存时间:TCP报文(segment)是IP数据报(datagram)的数据部分,而IP头中有一个TTL域,TTL是time to live的缩写,中文可以译为“生存时间”,这个生存时间是由源主机设置初始值但不是存的具体时间,而是存储了一个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。

TTL与MSL是有关系的但不是简单的相等的关系,MSL要大于等于TTL。

为什么TIME_WAIT状态需要保持2MSL这么长的时间

如果TIME_WAIT状态保持时间不足够长,第一个连接就正常终止了。第二个拥有相同五元组的连接出现,而第一个连接的重复报文到达,干扰了第二个连接。TCP事先必须防止某个连接的重复报文在连接终止后出现,所以让TIME_WAIT状态保持时间足够长(2MSL),连接相应方向的上的TCP报文要么完全响应完毕,要么被丢弃。建立第二个连接的时候,不会混淆。

9、TIME_WAIT产生原因

a)nginx使用了短连接方式,可能会造成大量处于TIME_WAIT状态的连接

b)TCP/IP设计者本来是这么设计的,防止上一次连接中的包,迷路后重新出现,影响新连接(经过2MSL,上一次连接中所有的重复包都会消失);可靠的关闭TCP连接主动关闭方发送的最后一个 ack(fin) ,有可能丢失,这时被动方会重新发fin, 如果这时主动方处于CLOSED 状态,就会响应rst 而不是ack。所以主动方要处于 TIME_WAIT 状态,而不能是CLOSED

c)过多TIME_WAIT的解决方法

net.ipv4.tcp_syncookies = 1 //表示开启SYN Cookies。当出现SYN等待队列溢出时,启用cookies来处理,可防范少量SYN攻击,默认为0,表示关闭;net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1 //表示开启重用。允许将TIME-WAIT sockets重新用于新的TCP连接,默认为0,表示关闭;net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1 //表示开启TCP连接中TIME-WAIT sockets的快速回收,默认为0,表示关闭。net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30 //表示如果套接字由本端要求关闭,这个参数决定了它保持在FIN-WAIT-2状态的时间。net.ipv4.tcp_keepalive_time = 1200 //表示当keepalive起用的时候,TCP发送keepalive消息的频度。缺省是2小时,改为20分钟。net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65000 //表示用于向外连接的端口范围。缺省情况下很小:32768到61000,改为1024到65000。net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 8192 //表示SYN队列的长度,默认为1024,加大队列长度为8192,可以容纳更多等待连接的网络连接数。net.ipv4.tcp_max_tw_buckets = 5000 //表示系统同时保持TIME_WAIT套接字的最大数量,如果超过这个数字,TIME_WAIT套接字将立刻被清除并打印警告信息,默认为180000,改为5000。

对于Apache、Nginx等服务器,上几行的参数可以很好地减少TIME_WAIT套接字数量,但是对于Squid,效果却不大。此项参数可以控制TIME_WAIT套接字的最大数量,避免Squid服务器被大量的TIME_WAIT套接字拖死。

 

参考文章

http://www.cnblogs.com/tankxiao/archive/2012/10/10/2711777.html

http://blog.csdn.net/whuslei/article/details/6667471

http://molewan.blog.51cto.com/287340/114592

http://www.jellythink.com/archives/705

https://wiki.wireshark.org/DisplayFilters