TCP/IP协议的学习笔记

1.OSI和TCP/IP的协议体系结构

  OSI是开放系统互连参考模型,它的七层体系结构概念清楚,理论也比较完整,但它既复杂又不实用。而TCP/IP是一个四层的体系结构,它包含应用层、传输层、网际层和网络接口层。TCP/IP体系结构虽然 简单,但它却得到了广泛的应用。OSI失败的原因归纳为:

(1)OSI的专家缺乏实际经验,他们在完成OSI标准时没有商业驱动力;

(2)OSI的协议实现过分复杂,而且运行效率很低;

(3)OSI标准的制定周期太长,因而使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场;

(4)OSI的层次划分不太合理,有些功能多个层次中重复使用

计算机网络层次模型

2.TCP:传输控制协议,一个位于传输层的协议

  传输层的协议主要是UDP和TCP,UDP协议比较简单,所以没有过多的区了解,仅知道UDP是面向无连接的,不可靠传输,传输数据小,但是速度快。TCP协议是面向连接的,可靠稳定。TCP在传送数据之前,会有三次握手建立连接;传递数据时,有确认、窗口、重传、拥塞控制机制;在传输数据后,还会断开连接,来释放系统资源。但是正是因为这样也存在很多缺点,效率低,占用系统资源高,也容易被人攻击。UDP、TCP的主要区别,参考 https://www.cnblogs.com/xiaomayizoe/p/5258754.html

(1)TCP报文结构分析

TCP报文结构

(2)TCP三次握手建立连接

1)第一次握手:建立连接时,客户端A发送SYN包(SYN=j)到服务器B,并进入SYN_SEND状态,等待服务器B确认。

2)第二次握手:服务器B收到SYN包,必须确认客户ASYNACK=j+1),同时自己也发送一个SYN包(SYN=k),即SYN+ACK包,此时服务器B进入SYN_RECV状态。

3)第三次握手:客户端A收到服务器BSYNACK包,向服务器B发送确认包ACKACK=k+1),此包发送完毕,客户端A和服务器B进入ESTABLISHED状态,完成三次握手。

完成三次握手,客户端与服务器开始传送数据。

TCP建立连接

(3)TCP四次挥手断开连接

1)客户端A发送一个FIN,用来关闭客户A到服务器B的数据传送。 

2)服务器B收到这个FIN,它发回一个ACK,确认序号为收到的序号加1。和SYN一样,一个FIN将占用一个序号。 

3)服务器B关闭与客户端A的连接,发送一个FIN给客户端A 

4)客户端A发回ACK报文确认,并将确认序号设置为收到序号加1 

TCP断开连接

(4)linux查看TCP的状态命令: 

netstat -n | awk '/^tcp/ {++S[$NF]} END {for(a in S) print a, S[a]}' 

(5)TCP协议的三种状态

SYN_RECV 

服务端收到建立连接的SYN没有收到ACK包的时候处在SYN_RECV状态

CLOSE_WAIT

发起TCP连接关闭的一方称为client,被动关闭的一方称为server。被动关闭的server收到FIN后,但未发出ACKTCP状态是CLOSE_WAIT。出现这种状况一般都是由于server端代码的问题,如果你的服务器上出现大量CLOSE_WAIT,应该要考虑检查代码。

TIME_WAIT

根据TCP协议定义的3次握手断开连接规定,发起socket主动关闭的一方 socket将进入TIME_WAIT状态。TIME_WAIT状态将持续2MSL(Max Segment Lifetime),Windows下默认为4分钟,即240秒。TIME_WAIT状态下的socket不能被回收使用. 具体现象是对于一个处理大量短连接的服务器,如果是由服务器主动关闭客户端的连接,将导致服务器端存在大量的处于TIME_WAIT状态的socket, 甚至比处于Established状态下的socket多的多,严重影响服务器的处理能力,甚至耗尽可用的socket,停止服务。

 

 

描述过程:
Client调用close()函数,给Server发送FIN,请求关闭连接;Server收到FIN之后给Client返回确认ACK,同时关闭读通道(不清楚就去看一下shutdownclose的差别),也就是说现在不能再从这个连接上读取东西,现在read返回0。此时ServerTCP状态转化为CLOSE_WAIT状态。
Client收到对自己的FIN确认后,关闭 写通道,不再向连接中写入任何数据。
接下来Server调用close()来关闭连接,给Client发送FINClient收到后给Server回复ACK确认,同时Client关闭读通道,进入TIME_WAIT状态。
Server接收到Client对自己的FIN的确认ACK,关闭写通道,TCP连接转化为CLOSED,也就是关闭连接。
ClientTIME_WAIT状态下要等待最大数据段生存期的两倍,然后才进入CLOSED状态,TCP协议关闭连接过程彻底结束。

 

以上就是TCP协议关闭连接的过程,现在说一下TIME_WAIT状态。
从上面可以看到,主动发起关闭连接的操作的一方将达到TIME_WAIT状态,而且这个状态要保持Maximum Segment Lifetime的两倍时间。为什么要这样做而不是直接进入CLOSED状态?

 

原因有二:
一、保证TCP协议的全双工连接能够可靠关闭
二、保证这次连接的重复数据段从网络中消失

 

先说第一点,如果Client直接CLOSED了,那么由于IP协议的不可靠性或者是其它网络原因,导致Server没有收到Client最后回复的ACK。那么Server就会在超时之后继续发送FIN,此时由于Client已经CLOSED了,就找不到与重发的FIN对应的连接,最后Server就会收到RST而不是ACKServer就会以为是连接错误把问题报告给高层。这样的情况虽然不会造成数据丢失,但是却导致TCP协议不符合可靠连接的要求。所以,Client不是直接进入CLOSED,而是要保持TIME_WAIT,当再次收到FIN的时候,能够保证对方收到ACK,最后正确的关闭连接。

 

再说第二点,如果Client直接CLOSED,然后又再向Server发起一个新连接,我们不能保证这个新连接与刚关闭的连接的端口号是不同的。也就是说有可能新连接和老连接的端口号是相同的。一般来说不会发生什么问题,但是还是有特殊情况出现:假设新连接和已经关闭的老连接端口号是一样的,如果前一次连接的某些数据仍然滞留在网络中,这些延迟数据在建立新连接之后才到达Server,由于新连接和老连接的端口号是一样的,又因为TCP协议判断不同连接的依据是socket pair,于是,TCP协议就认为那个延迟的数据是属于新连接的,这样就和真正的新连接的数据包发生混淆了。所以TCP连接还要在TIME_WAIT状态等待2MSL,这样可以保证本次连接的所有数据都从网络中消失。

参考地址:https://blog.csdn.net/sunyongye/article/details/79007439

 

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