TCP 是一种面向连接的单播协议,在 TCP 中,并不存在多播、广播的这种行为,因为 TCP 报文段中能明确发送方和接受方的 IP 地址。
在发送数据前,相互通信的双方(即发送方和接受方)需要建立一条连接,在发送数据后,通信双方需要断开连接,这就是 TCP 连接的建立和终止。
TCP 连接的建立和终止如果你看过我之前写的关于网络层的一篇文章,你应该知道 TCP 的基本元素有四个:即发送方的 IP 地址、发送方的端口号、接收方的 IP 地址、接收方的端口号。而每一方的 IP + 端口号都可以看作是一个套接字,套接字能够被唯一标示。套接字就相当于是门,出了这个门,就要进行数据传输了。
TCP 的连接建立 -> 终止总共分为三个阶段
下面我们所讨论的重点也是集中在这三个层面。
下图是一个非常典型的 TCP 连接的建立和关闭过程,其中不包括数据传输的部分。
TCP 建立连接 - 三次握手服务端进程准备好接收来自外部的 TCP 连接,一般情况下是调用 bind、listen、socket 三个函数完成。这种打开方式被认为是 被动打开(passive open)。然后服务端进程处于 LISTEN 状态,等待客户端连接请求。
客户端通过 connect 发起主动打开(active open),向服务器发出连接请求,请求中首部同步位 SYN = 1,同时选择一个初始序号 sequence ,简写 seq = x。SYN 报文段不允许携带数据,只消耗一个序号。此时,客户端进入 SYN-SEND 状态。
服务器收到客户端连接后,,需要确认客户端的报文段。在确认报文段中,把 SYN 和 ACK 位都置为 1 。确认号是 ack = x + 1,同时也为自己选择一个初始序号 seq = y。这个报文段也不能携带数据,但同样要消耗掉一个序号。此时,TCP 服务器进入 SYN-RECEIVED(同步收到) 状态。
客户端在收到服务器发出的响应后,还需要给出确认连接。确认连接中的 ACK 置为 1 ,序号为 seq = x + 1,确认号为 ack = y + 1。TCP 规定,这个报文段可以携带数据也可以不携带数据,如果不携带数据,那么下一个数据报文段的序号仍是 seq = x + 1。这时,客户端进入 ESTABLISHED (已连接) 状态
服务器收到客户的确认后,也进入 ESTABLISHED 状态。
这是一个典型的三次握手过程,通过上面 3 个报文段就能够完成一个 TCP 连接的建立。三次握手的的目的不仅仅在于让通信双方知晓正在建立一个连接,也在于利用数据包中的选项字段来交换一些特殊信息,交换初始序列号。
一般首个发送 SYN 报文的一方被认为是主动打开一个连接,而这一方通常也被称为客户端。而 SYN 的接收方通常被称为服务端,它用于接收这个 SYN,并发送下面的 SYN,因此这种打开方式是被动打开。
TCP 建立一个连接需要三个报文段,释放一个连接却需要四个报文段。
TCP 断开连接 - 四次挥手数据传输结束后,通信的双方可以释放连接。数据传输结束后的客户端主机和服务端主机都处于 ESTABLISHED 状态,然后进入释放连接的过程。
TCP 断开连接需要历经的过程如下
客户端应用程序发出释放连接的报文段,并停止发送数据,主动关闭 TCP 连接。客户端主机发送释放连接的报文段,报文段中首部 FIN 位置为 1 ,不包含数据,序列号位 seq = u,此时客户端主机进入 FIN-WAIT-1(终止等待 1) 阶段。
服务器主机接受到客户端发出的报文段后,即发出确认应答报文,确认应答报文中 ACK = 1,生成自己的序号位 seq = v,ack = u + 1,然后服务器主机就进入 CLOSE-WAIT(关闭等待) 状态。
客户端主机收到服务端主机的确认应答后,即进入 FIN-WAIT-2(终止等待2) 的状态。等待客户端发出连接释放的报文段。
这时服务端主机会发出断开连接的报文段,报文段中 ACK = 1,序列号 seq = v,ack = u + 1,在发送完断开请求的报文后,服务端主机就进入了 LAST-ACK(最后确认)的阶段。
客户端收到服务端的断开连接请求后,客户端需要作出响应,客户端发出断开连接的报文段,在报文段中,ACK = 1, 序列号 seq = u + 1,因为客户端从连接开始断开后就没有再发送数据,ack = v + 1,然后进入到 TIME-WAIT(时间等待) 状态,请注意,这个时候 TCP 连接还没有释放。必须经过时间等待的设置,也就是 2MSL 后,客户端才会进入 CLOSED 状态,时间 MSL 叫做最长报文段寿命(Maximum Segment Lifetime)。