TCP是一种面向连接的单播(在计算机网络的传输中,目的地址为单一目标的一种传输方式)协议,在TCP中并不存在多播、广播这种行为,因为TCP报文中能明确发送方和接收方的IP地址。在发送数据之前,通信双方需要建立连接,发送完毕后,通信双方需要断开连接。
TCP 连接的建立和终止
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。而且每一方的IP + 端口号都可以看作一个套接字,套接字能够被唯一标识。套接字相当于门,出了这个门,就要进行数据传输了。
TCP的连接建立 -> 一共三个阶段
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
- 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。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。
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)。
服务端主要收到了客户端的断开连接确认后,就会进入 CLOSED 状态。因为服务端结束 TCP 连接时间要比客户端早,而整个连接断开过程需要发送四个报文段,因此释放连接的过程也被称为四次挥手。
TCP 连接的任意一方都可以发起关闭操作,只不过通常情况下发起关闭连接操作一般都是客户端。然而,一些服务器比如 Web 服务器在对请求作出相应后也会发起关闭连接的操作。TCP 协议规定通过发送一个 FIN 报文来发起关闭操作。
所以综上所述,建立一个 TCP 连接需要三个报文段,而关闭一个 TCP 连接需要四个报文段。TCP 协议还支持一种半开启(half-open) 状态,虽然这种情况并不多见。
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