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我理解的 TCP 连接

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总述

TCP 是面向连接的协议。运输连接是用来传输 TCP 报文的。TCP 运输连接的建立和释放是每一次面向连接通信中必不可少的过程。因此,运输连接有三个阶段,即:连接建立,数据传输和连接释放。

在TCP连接建立过程中要解决一下三个问题。

(1)要使一方明确知道对方的存在。 (2)要允许双方协商一些参数(如最大窗口值等)。 (3)能够运输实体资源进行分配。

TCP 的连接建立(三次握手)

三次握手

如上图所示,上图画出了 TCP 的连接过程。假定主机 A 运行的是 TCP 客户程序,而B运行的是 TCP 服务器程序。最初两端的 TCP 进程都处于 CLOSE 状态。图中在主机下面的方框中分别是 TCP 进程所处于的状态。请注意,A 主动打开链接,而 B 被动打开连接。

B的TCP服务器进程先创建传输控制快 TCB,准备接受客户进程的连接请求。然后服务器进程处于 LISTEN 状态,等待客户的连接请求。如有,即作出响应。

A的TCP客户进程也是首先创建传输控制块 TCB,然后向 B 发出连接请求报文段。这是首部的同步位 SYN = 1,同时选择一个初始序号 seq = x。TCP 规定,SYN 报文段,不能携带数据,但要小号掉一个序号,这时 TCP 客户程序进入 SYN-SEND(同步已发送)状态。

B接收到连接请求报文段后,如同意连接,则向 A 发送确认。在确认报文段中应把 SYN 位和 ACK 位都设置为1,确认号是 ack = x + 1,同时也为自己选择一个初始序号 seq = y。请注意,这个报文段也不能携带任何数据,但同样要消耗掉一个序号。这时,TCP服务程序进入 SYN-RCVD(同步收到)状态。

TCP客户进程收到B的确认后,还要向B确认。确认报文段的ACK置1,确认号ack = y + 1,而自己的序号 seq = x + 1 。 TCP 的标准规定, ACK 报文段可以携带数据。但如果不携带数据则不消耗序号,在这种情况下,下一个数据报文段的序号仍然是 seq = x + 1。 这时 TCP 连接建立完成,A 进入 ESTABLISHED(已建立连接)状态。 当 B 收到 A 的确认后,也进入 ESTABLISHED 状态。

TCP 连接的释放(四次挥手)

四次握手

数据传输结束后,通信双方都可以释放连接。现在 A 和 B 都处于 ESTABLISHED 状态。 A 的应用进程先向其 TCP 发出连接释放报文段,并停止再发送数据,主动关闭 TCP 连接。A 把连接释放报文段首部的终止控制位置 FIN 设置为 1 ,其序号 seq = u,它等于前面传送过程的数据的最后一个字节序号加 1 。这时 A 进入 FIN_WAIT_1(终止等待位 1)状态,等待 B 的确认。请注意,TCP规定,FIN 报文段即使不携带数据,他也消耗掉一个序号。

B 收到连接释放的报文段后立即发出确认,确认号 ack = u + 1,而这个报文段自己的序号是 v ,等于 B 前面已传送过的数据的最后一个字节加 1。然后 B 进入 CLOSE_WAIT (关闭等待)状态。TCP 服务器进程这时通知高层的应用进程,因而从 A 到 B 这个方向的连接就释放了,这时的 TCP 连接处于半关闭(half-close)状态,即 A 已经没有数据要发送了,但是 B 若发送数据,A 仍要接收。也就是说,从 B 到 A 这个方向的连接并未关闭,这个状态可能会持续一段时间。

A 收到来自 B 的确认后,就进入 FIN_WAIT_2(终止等待2)状态,等待 B 发出连接释放报文段。

若 B 已经没有要向 A 发送的数据,其应用进程就通知 TCP 释放连接。这时 B 发出连接释放报文段使 FIN = 1。现假定 B 的序号为 w (在半关闭状态 B 可能又发送了一些数据)。B 还必须重复上次已经发过确认号 ack = u + 1。这时 B 就进入 LAST_ACK(最后确认)状态,等待 A 的确认。

A 在收到 B 的连接释放报文段后,必须对此发出确认。在确认报文段中把 ACK 设置为 1,确认号 ack = w + 1,而自己的序号是 seq = u + 1(根据 TCP 的标准,前面发送过的 FIN 报文要消耗一个序号)。然后进入到 TIME_WAIT(时间等待)状态。请注意,现在 TCP 连接还没有释放掉。必须经过时间等待计时器设置的时间 2MSL 后,A 才进入到 CLOSE 状态。时间 MSL 叫做最长报文段寿命,RFC 793 建议设置为 2 分钟。但这完全是从工程上来考虑,对于现在的网络,MSL = 2分钟可能太长了一些。因此 TCP 允许不同的时间可以根据实际情况使用更小的 MSL 值。因此,从 A 进入到TIME_WAIT 状态后,要经过 4 分钟才能进入到 CLOSE 状态,才能建立下一个新的连接。当 A 撤销相应的传输控制块 TCB 后,就结束这次的 TCP 连接。

两个小问题

在三次握手的过程中,为什么 A 还要发送一次确认呢? 这主要是为了防止已失效的连接请求报文突然又传到了 B,因而产生错误。

为什么 A 在 TIME_WAIT 状态必须等待 2MSL 的时间呢?

第一,为了保证 A 发送最后一个 ACK 报文段能够到达 B。

第二,防止刚提到的 “已失效的连接请求报文段” 出现在本连接中。A 在发送晚最后一个 ACK 报文段后,再经过时间 2MSL,就可以使本连接持续时间内所产生的所有报文段从网络中消失。这样就可以使下一个新的连接中不会出现这种旧的连接请求报文段。

参考链接

计算机网络第6版

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