python网络编程--TCP连接的三次握手(三报文握手)与四次挥手

一.TCP连接

　　运输连接有三个阶段: 连接建立、数据传送和连接释放。

　　在TCP连接建立过程中要解决以下三个问题:

　　　　1,要使每一方能够确知对方的存在.

　　　　2.要允许双方协商一些参数(如最大窗口之,是否使用窗口扩大选项和时间戳选项以及服务质量等)

　　　　3能够对运输实体资源(如缓存大小,连接表中的项目等)进行分配

　　TCP连接的建立采用客户服务器方式.主动发起建立连接建立的应用进程叫做客户(Client),而被动等待连接建立的而应用进程叫做服务器(server).

　　紧急URG(URGent) URG = 1时 表明有效

　　确认ACK(ACKnowledgment) 仅当ACK = 1 时确认号字段才有效.当ACK = 0时,确认号无效.TCP规定,在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK置1

　　推送PSH(PuSH)  两个应用进程进行交互式的通信时,有时在一段的应用进程希望在键入一个命令后立即就能够收到对方的响应,这时就可以使用push操作.接收方TCP收到PSH=1的报文段,就尽快的交付接收应用进程

　　复位RST(ReSeT) RST= 1 时,表明TCP连接时出现连接差错.也可成为重建位或重置位

　　同步SYN(SYNchronization) 在连接建立时用来同步学号. 当SYN = 1而 ACK = 0时,表明这是一个连接请求报文段

　　终止 FIN(FINis) 用来释放一个连接.当FIN = 1时,表明报文段的发送方的数据已经发送完毕,并要求释放运输连接

 

 tcp/ip的三次握手和四次挥手详细过程说明:

建立连接时:

             

本例中,A主动打开连接,而B被动打开连接.

　　假定主机A运行的是TCP客户程序,而B运行TCP服务器程序.最初两端的TCP进程都处于CLOSED(关闭)状态.

　　一开始,B的TCP服务器进程先创建传输控制块TCB, 准备接受客户进程的链接请求.然后服务器进程就处于LISTEN(收听)状态,等待客户的连接请求.如有,即作出响应.

　　A的TCP客户进程也是首先创建传输控制模块TCB.然后,在打算建立TCP连接时,向B发出连接请求报文段,这是首部中的同步位SYN = 1, 同时选择一个初始序号seq=x.TCP规定,SYN报文段(即SYN=1的报文段)不能携带数据,但要消耗掉一个序号,这是,TCP客户进程进入SYN-SENT(同步已发送)状态

　　B收到连接请求报文段后,如同意建立连接,则向A发送确认.在确认报文段中应把SYN位和ACK位都置1,确认号是ack=x+1,同时也为自己选择一个初始序号seq=y.请注意,这个报文段也不能携带数据,但同样要消耗掉一个序号.这时TCP服务器进程进入SYN-RCVD(同步收到)状态

　　TCP客户进程收到B的确认后,还要向B给出确认.确认报文段的ACK置1,确认号ack=y+1,而自己的序号seq=x+1,TCP的标准规定,ACK报文段可以携带数据.但如果不携带数据则不消耗序号,在这种情况下,下一个数据报文段的序号仍是seq=x+1.这时,TCP连接已经建立,A进入ESTABLISHED(已建立连接)状态.

 　　当B收到A的确认后,也进入ESTABLISHED状态

 

断开连接时:                  

                         

　　数据传输结束后,通信的双方都可释放连接.现在A和B都处于ESTABLISHED状态.

　　A把连接释放报文段首部的终止控制位FIN置1,其序号seq=u,它等于前面已传送过的数据的最后一个字节的序号加1.这时A进入FIN-WAIT-1(终止等待1)状态,等待B的确认.请注意,TCP规定,FIN报文段即使不携带数据,它也消耗掉一个序号.

　　B收到连接释放报文段后即发出确认,确认号是ACK=u+1,而这个报文段自己的序号是v,等于B前面已传送过的数据的最后一个字节的序号加1.然后B就进入CLOSE-WAIT(关闭等待状态).TCP服务器进程这是应通知高层应用进程,因而从A到B这个方向的连接就释放了,这是TCP连接处于半关闭(half-close)状态,即A已经没有数据要发送了,但B若发送数据,A仍要接收.也就是说,从B到A这个方向的链接并未关闭,这个状态可能会持续一段时间.

　　A收到来自B的确认后,就进入FIN-WAIT-2(终止等待2)状态,等待B发出的连接释放报文段

　　若B已经没有要向A发送的数据,其应用进程就通知TCP释放链接.这是B发出的连接释放报文段必须使FIN=1.现假定B的序号为w(在半关闭状态B可能又发送了一些数据).B还不许重复上次已发送过的确认号ack=u+1.这时B就进入LAST-ACK(最后确认)状态,等待A的确认

　　A在收到B的连接释放报文段后,必须对此发出确认.在确认报文段中把ACK置1,确认号ack=w+1,而自己的序号是seq=u+1(根据TCP标准,前面发送过的FIN报文段要消耗一个序号).然后进入到TIME=WAIT(时间等待)状态.请注意,现在TCP连接还没有释放掉,必须经过时间等待计时器(TIME-WAIT timer)设置的时间2msl后,A才进入到CLOSED状态.时间MSL叫做最长报文段寿命,RFC 793建议设置为2分钟.但这完全是从工程上来考虑的,对于现在的网络,MSL=2分钟可能太长了一些.因此TCP允许不同的实现可根据具体情况使用更小的MSL值.因此,从A进入到TIME-WAIT状态后,要经过4分钟才能进入到CLOSED状态,才能开始建立下一个新的链接.当A撤销相应的传输控制块TCB后,就结束了这次的TCP连接.

 

总图:

讲述过程

三次握手:

1. TCP服务器进程先创建传输控制块TCB，时刻准备接受客户进程的连接请求，此时服务器就进入了LISTEN（监听）状态；
2. TCP客户进程也是先创建传输控制块TCB，然后向服务器发出连接请求报文，这是报文首部中的同部位SYN=1，同时选择一个初始序列号 seq=x ，此时，TCP客户端进程进入了 SYN-SENT（同步已发送状态）状态。TCP规定，SYN报文段（SYN=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号。
3. TCP服务器收到请求报文后，如果同意连接，则发出确认报文。确认报文中应该 ACK=1，SYN=1，确认号是ack=x+1，同时也要为自己初始化一个序列号 seq=y，此时，TCP服务器进程进入了SYN-RCVD（同步收到）状态。这个报文也不能携带数据，但是同样要消耗一个序号。
4. TCP客户进程收到确认后，还要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1，ack=y+1，自己的序列号seq=x+1，此时，TCP连接建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。TCP规定，ACK报文段可以携带数据，但是如果不携带数据则不消耗序号。
5. 当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态，此后双方就可以开始通信了。 

四次挥手：

　　数据传输完毕后，双方都可释放连接。最开始的时候，客户端和服务器都是处于ESTABLISHED状态，然后客户端主动关闭，服务器被动关闭。服务端也可以主动关闭，一个流程。

1. 客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
2. 服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
3. 客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。
4. 服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
5. 客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
6. 服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

为什么TCP客户端最后还要发送一次确认呢？

　　一句话，主要防止已经失效的连接请求报文突然又传送到了服务器，从而产生错误。 如果使用的是两次握手建立连接，假设有这样一种场景，客户端发送了第一个请求连接并且没有丢失，只是因为在网络结点中滞留的时间太长了，由于TCP的客户端迟迟没有收到确认报文，
以为服务器没有收到，此时重新向服务器发送这条报文，此后客户端和服务器经过两次握手完成连接，传输数据，然后关闭连接。此时此前滞留的那一次请求连接，网络通畅了到达了服务器，
　　这个报文本该是失效的，但是，两次握手的机制将会让客户端和服务器再次建立连接，这将导致不必要的错误和资源的浪费。 如果采用的是三次握手，就算是那一次失效的报文传送过来了，服务端接受到了那条失效报文并且回复了确认报文，但是客户端不会再次发出确认。由于服务器收不到确认，就知道客户端并没有请求连接。

为什么客户端最后还要等待2MSL？

　　MSL（Maximum Segment Lifetime），TCP允许不同的实现可以设置不同的MSL值。 第一，保证客户端发送的最后一个ACK报文能够到达服务器，因为这个ACK报文可能丢失，站在服务器的角度看来，我已经发送了FIN+ACK报文请求断开了，客户端还没有给我回应，应该是我发送的请求断开报文它没有收到，于是服务器又会重新发送一次，而客户端就能在这个2MSL时间段内收到这个重传的报文，接着给出回应报文，并且会重启2MSL计时器。 第二，防止类似与“三次握手”中提到了的“已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中。客户端发送完最后一个确认报文后，在这个2MSL时间中，就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文。 为什么建立连接是三次握手，关闭连接确是四次挥手呢？ 建立连接的时候， 服务器在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，服务器收到对方的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，而自己也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即关闭，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，从而导致多了一次

如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？

　　TCP还设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75分钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。