计算机网络笔记------TCP传输控制协议（2）

计算机网络笔记------TCP传输控制协议（2）

• • 连接管理
  • • 连接建立
    • • 三次握手
    • 连接释放
    • • TCP的半关闭状态
      • 四次挥手
      • 2MSL
  • 状态转换
  • • 相关状态
    • 连接状态的转换
    • 释放状态的转换

连接管理

传输过程分为三个部分，连接建立，数据传输，连接释放。

连接建立

在建立连接时要考虑三个问题：首先要使连接双方相互知道对方的存在，除此之外，在连接的建立中允许连接的双方进行一些参数的交互，还有就是连接双方对于相关资源的分配准备。

三次握手

建立连接的过程是不对称的，分为主动连接的一方（客户端），和被动连接的一方（服务器），被动的一方一开始就要开启相关服务，进入监听状态（被动），以便可以获取客户端的连接请求，客户端在连接开始时主动打开相关的服务。

在握手的时候发送的报文段是比较特殊的，由于连接没有建立所以无法为上层提供服务，所以数据内容中不含有上层应用层有关的数据。

握手之前服务器处于监听状态（LISTEN）
第一次握手：也就是客户端发送一个报文，该报文的SYN字段被置为1，同时客户端选取一个起始序号放到报文中一并发过去。连接的一方向对方说明自己的存在。客户端进入请求连接（SYN-SENT）状态。
第二次握手：当服务器收到了数据包，就会从中提取处相应的SYN字段，这时服务器端这边就会开始为本次连接建立缓存与设置变量，这时服务器方面基本的条件已经快要满足了，同时其会发送一个数据包告知客户端自己的存在。这个数据报中的确认字段为客户端传来的序号加一，表示之前的信息收到了，同时服务器会选一个自己的起始序号放入报文序号段处，并将SYN字段置1。服务端进入（SYN-SENT）状态。
第三次握手：当客户端收到服务端的请求时，双方已经都收到了一个SYN字段为1的报文了，并且双方已经知道了对方的存在条件满足，这之后的传输报文中SYN字段将被置为0，收到报文后客户端也开始为这次连接分配缓存与设置变量，所有的条件都满足了，这时双方的所有准备工作结束，数据传输可以开始了，于是客户端开始第三次握手包的发送，其中的序号字段为之前的加一，确认字段为接受到的序号加一。客户端进入（ESTAB-LISTEN）状态。
当服务器端收到来自客户端的确认报文后，服务器也进入了（ESTAB-LISTEN）状态，连接建立，通知上层应用，数据传输开始。

连接释放

连接释放对应连接建立来看，也需要双方相互知道对方断开连接，同时还需要将之前连接时的相关缓存释放，相关变量回收。

TCP的半关闭状态

由于连接的传输过程是全双工的，所以连接的任一方均存在接收与发送，TCP的半关闭状态就是当一端停止发送后仍保留对数据的接收功能。

四次挥手

TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。连接的释放可以是任一方发出，图中是客户端发出释放请求：

同样用于挥手的报文也是比较特殊的，由于连接准备释放，所以在释放连接的报文中也不包含有上层网络（应用层）的数据。

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意味着这一方向上数据流动结束（接收到FIN报文后会关闭相应的读通道），而收到对方关于FIN的确认报文才说明这一方向上的数据通信完全结束。连接双方的释放的过程是完全对称的。

挥手之前双方都处于（ESTAB-LISTEN）状态。
第一次挥手：这里是客户端先提出释放（上层应用主动要求关闭），发送释放报文，释放报文的特点就在FIN字段置1，序号与确认号保留原有的规则，序号为之前得到的数据的最后一个字节的序号加一。进入终止等待1（FIN-WAIT-1）状态。
第二次挥手：服务器端接收到了来自客户端的请求释放的报文，这时服务器方已经知道了对方的释放请求。发出确认报文，报文是应答报文确认号为释放报文的序号加一，序号是原先规定的序号。这时服务器端进入关闭等待（CLOSE-WAIT）状态。上层应用会接到通知，表明不会有来自客户端的数据要处理了。关闭服务器读通道。
当客户端收到服务器端的应答报文，关闭客户端写通道（不再发送数据）；这时客户端是半关闭状态，虽然结束了数据发送，其仍要接收处理来自服务器端的数据。客户端进入终止等待2（FIN-WAIT-2）状态。
第三次挥手：服务器发送完数据后进行被动的关闭操作，对称的有，服务器端发送释放报文FIN段置1，序号按原有规则设置，这里的确认段仍设置为1，确认号与之前发送的确认报文相同，服务器端进入（LAST-ASK）状态等待最后的确认报文。
第四次挥手：客户端接受到来自服务器端的FIN报文，就会关闭客户端读通道，并向服务器发送最后的应答报文，序号为FIN报文中的确认号，确认号为FIN报文中的序号加1。服务器进入了（TIME-WAIT）状态，等待两个MSL（Maximum Segment Lifetime，报文段最大生存时间）的时间后彻底结束连接。在这一状态下任何之前发送的迟到的报文都会被丢弃。
当服务器端接收到来自客户端的应答报文后，关闭服务器写通道，连接彻底关闭。

整个的流程中双方先关闭读通道（接收到FIN报文后），再关闭写通道（接收到FIN的应答报文后）。

2MSL

MSL是任何报文在网络上的存在的最长时间，超过这个时间报文将被丢弃。具体的实现是由各转发点根据报文时间戳进行处理的。
2MSL的必要性：保证最后一个应答报文可以顺利被对方接到，由于在这段时间所有之前发送的报文都将被丢弃，所以当进行一个新的连接的时候不会再有之前连接的报文。

状态转换

整个的TCP连接状态可以由以下的状态转换表示：

相关状态

1. CLOSED：无连接状态，不建立连接
2. LISTEN：处于监听状态，可以接受客户端的连接
3. SYN-RECEIVED：接收到了请求连接的SYN报文
4. SYN-SENT：发送SYN报文后进入该状态
5. ESTABLISHED：表示TCP连接已经成功建立
6. FIN-WAIT1：主动释放连接，发出FIN报文后。
7. FIN-WAIT2：接收到对方的FIN确认报文（对方同意释放连接）。
8. CLOSING：双方同时提出连接释放（在连发出FIN报文后没有收到应答报文，反而收到了对方的FIN）。
9. TIMED-WAIT：收到了对方的FIN报文并发出了应答报文，等待全部的TCP报文传输完毕（2MSL等待）。
10. CLOSE-WAIT：等待释放连接，当收到FIN报文并发送应答报文后，还需要查看自己这边有没有完成数据的发送，如果没有就在这一阶段完成剩余的数据传输。如果结束传输就发送FIN报文给对方，并结束这一状态。
11. LAST-ASK：被动释放的一方发出FIN报文后等待对方的应答报文。

连接状态的转换

关于连接的状态有：LISTEN，SYN-RECEIVED，SYN-SENT，ESTABLISHED。
正常状态的TCP连接：
主动方：CLOSED->SYN-SENT->ESTABLISHED
被动方：CLOSED->LISTEN->SYN-RECEIVED->ESTABLISHED

双方同时建立连接：（四次握手）
连接方1：CLOSED->SYN-SENT->SYN-RECEIVED->ESTABLISHED
连接方2：CLOSED->SYN-SENT->SYN-RECEIVED->ESTABLISHED
被动方在连接未建立前提出连接请求：
被动方：CLOSED->LISTEN->SYN-SENT->SYN-RECEIVED->ESTABLISHED

被动方长时间不响应（超时）：
主动方：CLOSED->SYN-SENT->CLOSED

被动方主动关闭：
被动方：CLOSED->LISTEN->CLOSED

主动方使用RST报文关闭异常连接：
被动方：CLOSED->LISTEN->SYN-RECEIVED->（出现异常主动方发出RST报文）->LISTEN

连接中途被动方主动释放：
被动方：CLOSED->LISTEN->SYN-RECEIVED（紧急情况，发出FIN报文请求释放）->FIN-WAIT1

释放状态的转换

关于释放的状态有：FIN-WAIT1，FIN-WAIT2，CLOSING，TIMED-WAIT，CLOSE-WAIT，LAST-ASK
正常状态的TCP释放：
主动方：ESTABLISHED->FIN-WAIT1->FIN-WAIT2->TIMED-WAIT->CLOSED
被动方：ESTABLISHED->CLOSE-WAIT->LAST-ASK->CLOSED

双方同时释放：
在接受到FIN的确认报文前接受到FIN报文则进入CLOSING状态，之后接受到确认报文后进入TIMED-WAIT状态。
释放方1：ESTABLISHED->FIN-WAIT1->CLOSING->TIMED-WAIT->CLOSED
释放方2：ESTABLISHED->FIN-WAIT1->CLOSING->TIMED-WAIT->CLOSED

被动释放的一方在收到FIN报文后无数据发送请求释放连接：
主动方：ESTABLISHED->FIN-WAIT1->TIMED-WAIT->CLOSED
被动方：ESTABLISHED->CLOSE-WAIT（时间极短几乎没有）->LAST-ASK->CLOSED