【面试官】大白话回答面试官TCP三次握手、四次挥手,其实也是可以过滴!

面试官: 我看了你的简历,你了解TCP/UDP协议的是吧。那你说一下TCP的三次握手、四次挥手吧!

白话文回答: 简单来说,客户端传送给服务器建立连接请求,在建立连接请求的同时客户端的发送能力也告知了服务器。服务器判断是否可以客户端创建连接,把服务器接收能力反馈给客户端。

具体来说,握手是合作的意思,也就是为了保证安全的情况下建立连接的过程,那三次握手的作用我说一下:第一次握手,客户端发送网络包,服务端收到了。这样服务端就能得出结论:客户端的发送能力、服务端的接收能力是正常的。第二次握手,服务端发包,客户端收到了。这样客户端就能得出结论:服务端的接收、发送能力,客户端的接收、发送能力是正常的。不过此时服务器并不能确认客户端的接收能力是否正常。第三次握手,客户端发包,服务端收到了。这样服务端就能得出结论:客户端的接收、发送能力正常,服务器自己的发送、接收能力也正常。最后三次握手成功了就可以正常安全的传输接收数据了!

而四次挥手顾名思义就是服务器和客户端双方安全的撤出合作关系的过程,也就是取消连接的过程!第一次挥手,客户端停止发送数据,发送网络包,告知服务器我要和你断开连接,之后进入了一个类似等待的状态。第二次挥手,服务器收到断开连接请求包之后,也返回一个包,也进入等待状态,并询问确认断开连接吗?第三次挥手,客户端接收到服务器端的确认指令之后,告知并请求服务器端可以释放断开连接了,于是发送了一个网络包,并再次进入等待(等待一段时间会自动关闭),等待服务器真正的断开释放连接。第四次挥手,服务器端接收到客户端传来的网络包指令,于是发送了释放连接最后的数据包,发送完后服务器进入了关闭状态。这时,服务器端的三次握手和四次挥手才算正真的完成了!

注意:第三次挥手完毕后,客户端没有直接关闭,而是等待了一段时间会自动关闭!那么为什么第三次挥手客户端不直接关闭呢?其实是要确保服务器是否已经收到了客户端最后请求,如果没有接收到的话,服务器会重新发送包给客户端确认,而客户端也会重新接收包并再次发送最后请求!

取消大白话解释注意的内容: 为什么客户端发送 ACK 之后不直接关闭,而是要等一段时间才关闭。这其中的原因就是,要确保服务器是否已经收到了我们的 ACK 报文,如果没有收到的话,服务器会重新发 FIN 报文给客户端,客户端再次收到 FIN 报文之后,就知道之前的 ACK 报文丢失了,然后再次发送 ACK 报文。至于 TIME_WAIT 持续的时间至少是一个报文的来回时间。一般会设置一个计时,如果过了这个计时没有再次收到 FIN 报文,则代表对方成功就是 ACK 报文,此时处于 CLOSED 状态。


了解TCP

TCP协议: Transmission Control Protocol传输控制协议。是一种面向连接、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。数据大小无限制。
TCP把连接作为最基本的对象,每一条TCP连接都有两个端点,这种断点我们叫作套接字(socket),它的定义为端口号拼接到IP地址即构成了套接字,例如,若IP地址为192.3.4.16 而端口号为80,那么得到的套接字为192.3.4.16:80。


TCP三次握手

所谓三次握手(Three-way Handshake),是指建立一个TCP连接时,需要客户端和服务器总共发送3个包。

  1. 第一次握手: 建立连接时,客户端A发送SYN包(SYN=j)到服务器B,并进入SYN_SEND状态,等待服务器B确认。
  2. 第二次握手: 服务器B收到SYN包,必须确认客户A的SYN(ACK=j+1),同时自己也发送一个SYN包(SYN=k),即SYN+ACK包,此时服务器B进入SYN_RECV状态。
  3. 第三次握手: 客户端A收到服务器B的SYN+ACK包,向服务器B发送确认包ACK(ACK=k+1),此包发送完毕,客户端A和服务器B进入ESTABLISHED状态,完成三次握手。

TCP 四次挥手

TCP的连接的拆除需要发送四个包,因此称为四次挥手(four-way handshake)。客户端或服务器均可主动发起挥手动作,在socket编程中,任何一方执行close()操作即可产生挥手操作。

  1. 第一次挥手: 客户端发送一个 FIN 报文,报文中会指定一个序列号。此时客户端处于CLOSED_WAIT1状态
  2. 第二次挥手: 服务端收到 FIN 之后,会发送 ACK 报文,且把客户端的序列号值 + 1 作为 ACK 报文的序列号值,表明已经收到客户端的报文了,此时服务端处于CLOSE_WAIT2状态
  3. 第三次挥手: 如果服务端也想断开连接了,和客户端的第一次挥手一样,发给 FIN 报文,且指定一个序列号。此时服务端处于 LAST_ACK 的状态
  4. 第四次挥手: 客户端收到 FIN 之后,一样发送一个 ACK 报文作为应答,且把服务端的序列号值 + 1 作为自己 ACK 报文的序列号值,此时客户端处于 TIME_WAIT 状态。需要过一阵子以确保服务端收到自己的 ACK 报文之后才会进入 CLOSED 状态
  5. 服务端收到 ACK 报文之后,就处于关闭连接了,处于 CLOSED 状态。

在这里插入图片描述


为什么TCP客户端最后还要发送一次确认呢?

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。


(ISN)是固定的吗?

三次握手的一个重要功能是客户端和服务端交换ISN(Initial Sequence Number), 以便让对方知道接下来接收数据的时候如何按序列号组装数据。

如果ISN是固定的,攻击者很容易猜出后续的确认号,因此 ISN 是动态生成的。

三次握手过程中可以携带数据吗?

第三次握手的时候,是可以携带数据的。也就是说,第一次、第二次握手不可以携带数据,而第三次握手是可以携带数据的。
举个例子,假如第一次握手可以携带数据的话,如果有人要恶意攻击服务器,那他每次都在第一次握手中的 SYN 报文中放入大量的数据,因为攻击者根本就不理服务器的接收、发送能力是否正常,然后疯狂着重复发 SYN 报文的话,这会让服务器花费很多时间、内存空间来接收这些报文。也就是说,第一次握手可以放数据的话,其中一个简单的原因就是会让服务器更加容易受到攻击了。
而对于第三次的话,此时客户端已经处于 established 状态,也就是说,对于客户端来说,他已经建立起连接了,并且也已经知道服务器的接收、发送能力是正常的了。


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。


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。


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秒发送一次。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。


每个状态所包含的含义

LISTEN - 侦听来自远方TCP端口的连接请求;

SYN-SENT -在发送连接请求后等待匹配的连接请求;

SYN-RECEIVED - 在收到和发送一个连接请求后等待对连接请求的确认;

ESTABLISHED - 代表一个打开的连接,数据可以传送给用户;

FIN-WAIT-1 - 等待远程TCP的连接中断请求,或先前的连接中断请求的确认;

FIN-WAIT-2 - 从远程TCP等待连接中断请求;

CLOSE-WAIT - 等待从本地用户发来的连接中断请求;

CLOSING -等待远程TCP对连接中断的确认;

LAST-ACK - 等待原来发向远程TCP的连接中断请求的确认;

TIME-WAIT -等待足够的时间以确保远程TCP接收到连接中断请求的确认;

CLOSED - 没有任何连接状态;

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