理解 TCP（三）：鏈接的創建和釋放

更好閱讀體驗：《理解 TCP 和 UDP》— By Gitbook

TCP 的整個交流過程能夠總結爲：先創建鏈接，而後傳輸數據，最後釋放連接。

三次握手和四次揮手.png

三次握手，創建鏈接

TCP 鏈接創建要解決的首要問題就是：要使每一方可以確知對方的存在。

三次握手就像，在一個黑暗的森林，你知道前方十點鐘方向好像有人。
你喊了一句：Hello？I'am JerryC，Who are you？
對面回了一句：Hi! I'am David, and nice to meet you!
而後你回了一句：Nice to meet you too!
......(自此，大家纔算真正認識了雙方，開始了後面省略3000字的談話)

因此說，兩我的須要交朋友（兩個端點須要創建鏈接），至少須要三次的通話（握手）

其實，網絡上的傳輸是沒有鏈接的，TCP 也是同樣的。
而 TCP 所謂的「鏈接」，其實只不過是在通訊的雙方維護一個「鏈接狀態」，讓它看上去好像有鏈接同樣。

鏈接創建過程

TCP 鏈接的創建採用客戶服務器方式，主動發起鏈接創建的一方叫客戶端（Client），被動等待鏈接創建的一方叫服務器（Server）。

最初的時候，兩端都處於 CLOSED 的狀態，而後服務器打開了 TCP 服務，進入 LISTEN 狀態，監聽特定端口，等待客戶端的 TCP 請求。

第一次握手：
客戶端主動打開鏈接，發送 TCP 報文，進行第一次握手，而後進入 SYN_SEND 狀態，等待服務器發回確認報文。
這時首部的同步位 SYN = 1，同時初始化一個序號 Sequence Number = J。
TCP 規定，SYN 報文段不能攜帶數據，但會消耗一個序號。

第二次握手：
服務器收到了 SYN 報文，若是贊成創建鏈接，則向客戶端發送一個確認報文，而後服務器進入 SYN_RCVD 狀態。
這時首部的 SYN = 1，ACK = 1，而確認號 Acknowledgemt Number = J + 1，同時也爲本身初始化一個序號 Sequence Number = K。
這個報文一樣不攜帶數據。

第三次握手：
客戶端收到了服務器發過來的確認報文，還要向服務器給出確認，而後進入 ESTABLISHED 狀態。
這時首部的 SYN 再也不置爲 1，而 ACK = 1，確認號 Acknowledgemt Number = K + 1，序號 Sequence Number = J + 1。
第三次握手，通常會攜帶真正須要傳輸的數據，當服務器收到該數據報文的時候，就會一樣進入 ESTABLISHED 狀態。
此時，TCP 鏈接已經創建。

對於創建鏈接的三次握手，主要目的是初始化序號 Sequence Number，而且通訊的雙方都須要告知對方本身的初始化序號，因此這個過程也叫 SYN。
這個序號要做爲之後的數據通訊的序號，以保證應用層接收到的數據不會由於網絡上的傳輸問題而亂序，由於TCP 會用這個序號來拼接數據。

利用鏈接設計缺陷實施 TCP Flood 攻擊

知道了 TCP 創建一個鏈接，須要進行三次握手。
但若是你開始思考「三次握手的必要性」的時候，就會知道，其實網絡是很複雜的，一個信息在途中丟失的可能性是有的。
若是數據丟失了，那麼，就須要從新發送，這時候就要知道數據是否真的送達了。
這就是三次握手的必要性。
可是再向深一層思考，你給我發信息，我收到了，我回復，由於我是君子。
若是是小人，你給我發信息，我就算收到了，我也不回覆，你就一直等我着個人回覆。
那麼不少小人都這樣作，你就要一直記住你在等待着小人1號、小人2號、小人3號......直到你的腦容量爆棚，燒壞腦殼。
黑客就是利用這樣的設計缺陷，實施 TCP Flood 攻擊，屬於 DDOS 攻擊的一種。
想了解更多 SYN Flood 攻擊請看：SYN flood - wiki

四次揮手，釋放鏈接

TCP 有一個特別的概念叫作半關閉，這個概念是說，TCP 的鏈接是全雙工（能夠同時發送和接收）的鏈接，所以在關閉鏈接的時候，必須關閉傳送和接收兩個方向上的鏈接。
客戶端給服務器發送一個攜帶 FIN 的 TCP 結束報文段，而後服務器返回給客戶端一個 確認報文段，同時發送一個 結束報文段，當客戶端回覆一個 確認報文段 以後，鏈接就結束了。

釋放鏈接過程

在結束以前，通訊雙方都是處於 ESTABLISHED 狀態，而後其中一方主動斷開鏈接。
下面假如客戶端先主動斷開鏈接。

第一次揮手：
客戶端向服務器發送結束報文段，而後進入 FIN_WAIT_1 狀態。
此報文段 FIN = 1， Sequence Number = M。

第二次揮手：
服務端收到客戶端的結束報文段，而後發送確認報文段，進入 CLOSE_WAIT 狀態。
此報文段 ACK = 1， Sequence Number = M + 1。

客戶端收到該報文，會進入 FIN_WAIT_2 狀態。

第三次揮手：
同時服務端向客戶端發送結束報文段，而後進入 LAST_ACK 狀態。
此報文段 FIN = 1，Sequence Number = N。

第四次揮手：
客戶端收到服務端的結束報文段，而後發送確認報文段，進入 TIME_WAIT 狀態，通過 2MSL 以後，自動進入 CLOSED 狀態。
此報文段 ACK = 1, Sequence Number = N + 1。

服務端收到該報文以後，進入 CLOSED 狀態。

關於 TIME_WAIT 過渡到 CLOSED 狀態說明：
從 TIME_WAIT 進入 CLOSED 須要通過 2MSL，其中 MSL 就叫作 最長報文段壽命（Maxinum Segment Lifetime），根據 RFC 793 建議該值這是爲 2 分鐘，也就是說須要通過 4 分鐘，才進入 CLOSED 狀態。

參考

《後臺開發 核心技術與應用實踐》
《計算機網絡》