tcp/ip三次握手和四次挥手原理详细解析
前言
TCP/IP三次握手和四次挥手是可靠连接的重要保证,整个过程控制信息发生那些变化,将在本文做详细的介绍。
首先,三次握手是建立连接的关键步骤,而四次挥手则是关闭连接的过程。需要分别解释每个阶段客户端和服务器端的状态变化,以及他们发送的报文段中的各个标志位和序列号的变化。
先从三次握手开始。第一次握手是客户端发送SYN报文,SYN标志位设为1,序列号是一个随机数,比如x。这时候客户端进入SYN_SENT状态。第二次握手,服务器收到SYN后,回应SYN-ACK,也就是SYN和ACK标志位都设为1,确认号是x+1,同时服务器自己生成一个序列号y,进入SYN_RCVD状态。第三次握手,客户端发送ACK,确认号是y+1,序列号是x+1,这时候双方都进入ESTABLISHED状态,连接建立成功。需要确认每个步骤的报文内容,特别是序列号和确认号的生成是否正确,以及标志位的设置是否正确。
然后是四次挥手。这里可能比较复杂,因为连接关闭可以由任一方发起。假设客户端先发起关闭,第一次挥手是客户端发送FIN,FIN标志位设为1,序列号假设是u,进入FIN_WAIT_1状态。服务器收到后回应ACK,确认号是u+1,序列号是v,进入CLOSE_WAIT状态,客户端收到后进入FIN_WAIT_2。接着服务器发送自己的FIN,FIN标志位和ACK都设为1,确认号还是u+1,序列号是v+可能的数据长度,进入LAST_ACK状态。客户端收到后回应ACK,确认号是v+1,进入TIME_WAIT状态,等待2MSL后关闭。服务器收到ACK后关闭连接。这里要注意的是,四次挥手中间可能服务器还有数据要发送,所以ACK和FIN可能分开发送,导致需要四次交互。需要确认每个步骤的报文内容是否正确,特别是序列号和确认号的计算是否正确,以及状态转换是否正确。
另外,详细解析每次发送的报文内容,所以每个步骤的报文中的SYN、ACK、FIN等标志位需要明确说明,序列号和确认号的具体数值变化也要解释清楚。例如,在三次握手中,第二次握手服务器的ACK是x+1,而第三次握手的ACK是y+1,这里需要确保逻辑正确,避免混淆。同时,四次挥手中,每个FIN和ACK的确认号是否正确,比如服务器在发送FIN时的序列号是否考虑了之前传输的数据长度,导致序列号可能不是简单的v+1,而是v加上数据长度后的值。
还需要注意一些细节,比如为什么三次握手是三次而不是两次,主要是为了防止已失效的连接请求报文突然传到服务器导致错误。而四次挥手为什么需要四次,因为TCP是全双工的,每个方向必须单独关闭。此外,TIME_WAIT状态的作用是确保最后一个ACK能够到达服务器,防止出现连接重置的问题。
在解释过程中,可能需要用例子来具体说明,比如假设初始序列号是x=1000,y=5000,这样确认号的计算会更直观。同时,报文中的其他字段如窗口大小、选项字段(如MSS)也需要提及,关注标志位和序列号确认号的变化。
最后,检查是否有遗漏的步骤或者错误的状态转换,比如在四次挥手中,服务器在发送FIN之前可能处于CLOSE_WAIT状态,发送FIN之后进入LAST_ACK,而客户端在发送最后一个ACK后进入TIME_WAIT,等待足够时间再关闭。确保这些状态转换都被正确描述。
总结来说,需要分步骤详细解释三次握手和四次挥手的每个阶段,包括发送的报文内容、标志位设置、序列号和确认号的变化,以及客户端和服务器端的状态变化。同时,结合例子来具体说明,确保读者能够清晰理解整个流程。
TCP/IP 三次握手与四次挥手详细解析
一、三次握手(连接建立)
目的:确保双方都能正常发送和接收数据,建立双向通信通道。
1. 第一次握手(SYN)
- 发送方:客户端(Client)
- 报文内容:
- SYN=1:表示请求建立连接。
- Seq=随机值x(如
Seq=1000
):初始序列号,用于后续数据顺序标识。 - 其他字段:窗口大小、MSS(最大报文段长度)等选项。
- 客户端状态:
SYN_SENT
作用:客户端向服务器发起连接请求,并告知自己的初始序列号。
2. 第二次握手(SYN-ACK)
- 发送方:服务器(Server)
- 报文内容:
- SYN=1:表示同意建立连接。
- ACK=1:确认客户端的请求。
- Seq=随机值y(如
Seq=5000
):服务器的初始序列号。 - Ack=x+1(如
Ack=1001
):确认客户端的Seq
,表示期望收到下一个字节。
- 服务器状态:
SYN_RCVD
作用:服务器确认客户端的连接请求,并告知自己的初始序列号。
3. 第三次握手(ACK)
- 发送方:客户端
- 报文内容:
- ACK=1:确认服务器的响应。
- Seq=x+1(如
Seq=1001
):客户端下一个字节的起始位置。 - Ack=y+1(如
Ack=5001
):确认服务器的Seq
。
- 客户端状态:
ESTABLISHED
- 服务器状态:
ESTABLISHED
作用:客户端确认服务器的响应,双方完成连接建立。
关键点:三次握手防止了历史重复连接的初始化(例如旧SYN报文干扰)。
二、四次挥手(连接终止)
目的:双方确认关闭连接,释放资源。
1. 第一次挥手(FIN)
- 发送方:客户端(主动关闭方)
- 报文内容:
- FIN=1:表示请求终止连接。
- Seq=当前序列号u(如
Seq=2000
)。
- 客户端状态:
FIN_WAIT_1
作用:客户端通知服务器不再发送数据,但可以接收数据。
2. 第二次挥手(ACK)
- 发送方:服务器
- 报文内容:
- ACK=1:确认客户端的关闭请求。
- Ack=u+1(如
Ack=2001
):期望收到客户端下一个字节。 - Seq=当前序列号v(如
Seq=8000
)。
- 服务器状态:
CLOSE_WAIT
- 客户端状态:
FIN_WAIT_2
作用:服务器确认客户端的关闭请求,但可能仍有数据未发送完毕。
3. 第三次挥手(FIN)
- 发送方:服务器
- 报文内容:
- FIN=1:表示服务器也请求终止连接。
- ACK=1:确认之前的通信。
- Seq=当前序列号w(如
Seq=8000 + 已发送数据长度
)。 - Ack=u+1(如
Ack=2001
)。
- 服务器状态:
LAST_ACK
作用:服务器通知客户端已无数据发送,请求关闭连接。
4. 第四次挥手(ACK)
- 发送方:客户端
- 报文内容:
- ACK=1:确认服务器的关闭请求。
- Seq=u+1(如
Seq=2001
)。 - Ack=w+1(如
Ack=8001
)。
- 客户端状态:
TIME_WAIT
(等待2MSL后关闭) - 服务器状态:
CLOSED
作用:客户端确认服务器的关闭请求,双方释放资源。
关键点:TIME_WAIT
状态确保最后一个ACK能被服务器接收,防止报文残留。
三、总结
-
三次握手:
SYN
→SYN-ACK
→ACK
确保双方初始序列号同步,建立双向通道。 -
四次挥手:
FIN
→ACK
→FIN
→ACK
允许双方独立关闭数据流,确保数据完整性。
附:状态机示意图
三次握手:
Client: SYN_SENT → ESTABLISHED
Server: SYN_RCVD → ESTABLISHED
四次挥手:
Client: FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT → CLOSED
Server: CLOSE_WAIT → LAST_ACK → CLOSED
通过上述步骤,TCP/IP协议实现了可靠的双向通信连接管理。