TCP连接的建立和终止

忘是亡心i 2022-09-01 08:28 7阅读 0赞

为帮助大家理解connect、accept和close函数并使用netstat调试TCP应用程序,我们必须了解如何建立和终止TCP连接以及TCP的状态转换图。这是一个通过加深了解底层网络协议以帮助我们编写网络程序的例子。

## 三路握手 ##

下述步骤建立一个TCP连接:  
1.服务器必须准备好接受外来的连接。这通过调用socket、 bind 和listen函数来完成，称为被动打开(passive open)。  
2．客户通过调用connect进行主动打开(active open)。这引起客户TCP发送一个SYN分节(表示同步)，它告诉服务器客户将在(待建立的)连接中发送的数据的初始序列号。—般情况下SYN分节不携带数据，它只含有一个I头部、一个TCP头部及可能有的 TCP选项。  
3．服务器必须确认客户的SYN,同时自己也得发送一个SYN分节，它含有服务器将在同一连接中发送的数据的初始序列号。服务器以单个分节向客户发送SYN和对客户SYN的ACK.  
4．客户必须确认服务器的SYN。连接建立过程至少需要交换三个分组,因此称之为TCP的三路握手(three-way hand-shake)。我们在图2.2中展示这三个分节。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NjAyMDc4OA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

图⒉.2给出的客户的初始序列号为\]，而服务器的初始序列号为K。在ACK里的确认号为发送这个ACK的一方所期待的对方的下一个序列号。因为SYN只占一个字节的序列号空间,所以每一个SYN的ACK中的确认号都是相应的初始序列号加1。类似地，每一个FIN的ACK中的确认号为FIN的序列号加1。

## TCP选项 ##

每一个SYN可以含有若干个TCP选项。通常使用的选项有:  
1.MSS选项。TCP发送的SYN中带有这个选项是通知对方它的**最大分节**大小MSS(maximum segment size),即它能接受的每个TCP分节中的最大数据量。  
2·窗口规模选项。TCP双方能够通知对方的最大窗口大小是**65535**,因为TCP头部相应的字段只占16位。但是高速连接(每秒45兆位或更快，见RFC1323或长延迟的路径(卫星链路)要求有更大的窗口以尽可能获得最大的吞吐量。这个新选项指定TCP头部的广告窗口必须扩大(即左移)的位数(0～14),因此所提供的最大窗口几乎是1G字节(65535×2)。两个端系统必须都支持这个选项，否则不具备扩大窗口规模能力。

## TCP连接终止 ##

TCP用三个分节建立一个连接，终止一个连接则需四个分节。  
1.某个应用进程首先调用close,我们称这一端执行主动关闭(active close)。这一端的TCP于是发送一个FIN分节，表示数据发送完毕。  
2.接收到FIN的另一端执行被动关闭(passive close)。这个FIN由TCP确认。它的接收也作为文件结束符传递给接收方应用进程(放在已排队等候该应用进程接收的任何其他数据之后),因为FIN的接收意味着应用进程在相应连接上再也接收不到额外数据。  
3.一段时间后，接收到文件结束符的应用进程将调用close关闭它的套接口。这导致它的TCP也发送一个FIN。  
4.接收到这个FIN的原发送方TCP(即执行主动关闭的那一端)对它进行确认。  
因为每个方向都需要有一个FIN和一个ACK,所以一般需要四个分节:有时步骤1的FIN随数据一起发送;另外,执行被动关闭那一端的TCP 在步骤2和3发出的ACK与FIWN也可以合并成一个分节。图2.3说明了这些分组的交换过程。  
FIN占据1个字节的序列号空间,这与SYN相同。所以每个FIN的ACK确认号是这个FIN的序列号加1。

在步骤2与步骤3之间可以有从执行被动关闭端到执行主动关闭端的数据流。这称为**半关闭(half-close)**。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NjAyMDc4OA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

## TCP状态转换图 ##

TCP连接的建立和终止可以用状态转换图(state transition diagram)来说明。  
图中,为一个连接定义了11种状态，并且TCP规则决定如何从一个状态转换到另一个状态,这种转换基于当前状态及在该状态下所接收的分节。例如，当应用进程在CLOSED状态下执行一个主动打开时，TCP将发送一个SYN并从CLOSED状态转换成SYN\_SENT状态。如果该TCP接着接收到一个附带ACK的SYN,它将发送一个ACK并转换成ES\_TABLISHED状态。这个最终状态是数据传送状态。  
有两个外向箭头引导自ESTABLISHED状态的连接终止处理。如果应用进程在接收到文件结束符前调用close(主动关闭),则转换成FIN\_WAIT\_1状态。如果在ESTABLISHED状态下应用进程接收到FIN,则转换成CLOSE\_WAIT状态。  
我们用实线表示客户的状态转换,虚线表示服务器的状态转换。  
展示状态转换图的理由之一是给出11种TCP状态的名称。netstat命令的输出包括这些状态，它是调试客户-服务器应用程序的有用的工具。

## TIME-WAIT状态 ##

每个TCP实现都必须选择–个MSL值。RFC1122\[Braden 1989\]的建议值是⒉分钟，而源自Berkeley的实现传统上使用的值为30秒。这意味着TIME\_WAIT状态的延迟在1分钟至4分钟之间。MSL是IP数据报能在互联网中生存的最长时间。我们知道这个时间是有限的,因为每个数据报有一个8位的字段称为跳限(见图A.1中IPv4的TTL字段和图A.2中IPv6的跳限字段)，它的最大值为255。尽管这是一个跳数限制而不是真正的时间限制，我们仍需假设：具有最大跳限(255)的分组不能超过MSL秒还继续存在。

分组在路由异常时经常“迷途”。某个路由器崩溃或两个路由器间的链路断开时,路由协议需花数秒或数分钟才能稳定并找出另一条通路。在这段时间内有可能产生路由循环(路由器A把分组发送给路由器B,而B再把它们发送回A),此时分组可能就陷入这样的循环。在此期间，假设迷途的分组是一个TCP分节,发送方TCP超时并重传该分组,而重传的分组最终选择另一条路径到达目的地。但是,不久(自迷途的分组开始其旅程起最多MSL秒内)路由循环修复，迷失在这个循环中的分组最终也到达目的地。这个原来的分组称为迷途的重复分组(lost duplicate)或漫游的重复分组(wandering duplicate),与之相对的重复分组就是超时重传分组。TCP必须正确处理这种重复的分组。

存在TIME\_WAIT状态有两个理由:  
1．实现终止TCP全双工连接的可靠性  
2.允许老的重复分节在网络中消逝

## 端口号 ##

任何时候，多个进程可同时使用TCP或UDP。TCP 和UDP都用16位的端口号来区别这些进程。

当一个客户要与服务器接触时，它必须标识要连接的服务器。TCP和UDP定义了一组**众所周知端口**(well-known ports)，用于标识众所周知的服务。例如，支持FTP的任何TCP/IP实现都把**21**这个众所周知的端口分配给FTP服务器。TFTP(Trivial File Trqnsfer Proto-col)所分配的是UDP端口号**69**。

另一方面，客户使用临时端口(ephemeral ports)。这些端口号通常由TCP或UDP自动分配给客户。客户一般不关心其临时端口的值,，而只需确信它在所在主机中是唯一的。TCP和UDP代码能确保这种唯一性。

RFC1700\[Reynolds and Postel 1994\]含有一张由因特网已分配数值权威机构(IANA)定义的端口列表。不过，文件ftp://ftp. isi.edu/in-notes/iana/ assignments/port-numbers通常比RFC 1700还要新。端口号分成三段:  
1.众所周知的端口为0～1023。这些端口由IANA分配和控制。可能时，相同端口号就分配给TCP和UDP的同一给定服务。例如，端口号80对TCP或UDP协议都供web服务器使用,即使它目前的所有实现都只用TCP也一样。

2．经注册的端口(registered ports)为1024-49151。这些端口不受IANA控制，但由IANA登记并提供它们的使用情况清单,以方便整个群体。可能时,同–端口号也分配给TCP和UDP的同-给定服务。例如6000~～6063分配给这两种协议的X Window服务器。49151的上限是新的,因为RFC170o\[Reynolds and Postel 1994\]所列的上限为65535。

3.49152一65535是动态的(dynamic)或私用的(private)端口。IANA不管这些端口，它们就是我们所称的临时端口。(49152这个数是65535的四分之三。)图2.6说明了这些端口号的分配情况。

图中,我们注意以下各点:  
·Unix系统有保留端口(reserved ports)的概念，它是小于1024的任何端口。这些端口  
只能分配给超级用户进程的套接口。所有众所周知的端口都为保留端口,因此分配  
这些端口的服务器启动时必须具有超级用户的特权。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NjAyMDc4OA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20220829/5d14f84285bb471393332213c48f7512.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NjAyMDc4OA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: /images/20220829/22ffb57ab5144c02b36f428c025c772e.png