如何实现一个简单的web服务器（一）————简单了解TCP

原 作者 田正东 | 发表于 | 分类于 2017级

  • TCP建立连接（三次握手）

首先Client端发送连接请求报文，Server段接受连接后回复ACK报文，并为这次连接分配资源。Client端接收到ACK报文后也向Server段发生ACK报文，并分配资源，这样TCP连接就建立了。最初两端的TCP进程都处于CLOSED关闭状态，A主动打开连接，而B被动打开连接。（A、B关闭状态CLOSED——B收听状态LISTEN——A同步已发送状态SYN-SENT——B同步收到状态SYN-RCVD——A、B连接已建立状态ESTABLISHED）

  • B的TCP服务器进程先创建传输控制块TCB，准备接受客户进程的连接请求。然后服务器进程就处于LISTEN（收听）状态，等待客户的连接请求。若有，则作出响应。
  • 1）第一次握手：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，（首部的同步位SYN=1，初始序号seq=x），（SYN=1的报文段不能携带数据）但要消耗掉一个序号，此时TCP客户进程进入SYN-SENT（同步已发送）状态。
  • 2）第二次握手：B收到连接请求报文段后，如同意建立连接，则向A发送确认，在确认报文段中（SYN=1，ACK=1，确认号ack=x+1，初始序号seq=y），测试TCP服务器进程进入SYN-RCVD（同步收到）状态；
  • 3）第三次握手：TCP客户进程收到B的确认后，要向B给出确认报文段（ACK=1，确认号ack=y+1，序号seq=x+1）（初始为seq=x，第二个报文段所以要+1），ACK报文段可以携带数据，不携带数据则不消耗序号。TCP连接已经建立，A进入ESTABLISHED（已建立连接）。
  • 当B收到A的确认后，也进入ESTABLISHED状态。

（2）总结三次握手过程：

  • 第一次握手：起初两端都处于CLOSED关闭状态，Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=x，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN-SENT状态，等待Server确认；
  • 第二次握手：Server收到数据包后由标志位SYN=1得知Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack=x+1，随机产生一个值seq=y，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN-RCVD状态，此时操作系统为该TCP连接分配TCP缓存和变量；
  • 第三次握手：Client收到确认后，检查ack是否为x+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=y+1，并且此时操作系统为该TCP连接分配TCP缓存和变量，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为y+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client和Server就可以开始传输数据。

起初A和B都处于CLOSED状态——B创建TCB，处于LISTEN状态，等待A请求——A创建TCB，发送连接请求（SYN=1，seq=x），进入SYN-SENT状态——B收到连接请求，向A发送确认（SYN=ACK=1，确认号ack=x+1，初始序号seq=y），进入SYN-RCVD状态——A收到B的确认后，给B发出确认（ACK=1，ack=y+1，seq=x+1），A进入ESTABLISHED状态——B收到A的确认后，进入ESTABLISHED状态。

  • 连接终止（四次挥手）

在数据传输完毕之后，通信双方都可以发出释放连接的请求。释放连接的过程为如上图所示：

     1）数据传输结束后，主机A的应用进程先向其TCP发出释放连接请求，不在发送数据。TCP通知对方要释放从A到B的连接，将发往主机B的TCP报文段首部的终止比特FIN置为1，序号u等于已传送数据的最后一个字节的序号加1。

     2）主机B的TCP收到释放连接通知后发出确认，其序号为u+1，同时通知应用进程，这样A到B的连接就释放了，连接处于半关闭状态。主机B不在接受主机A发来的数据；但主机B还向A发送数据，主机A若正确接收数据仍需要发送确认。

     3）在主机B向主机A的数据发送结束后，其应用进程就通知TCP释放连接。主机B发出的连接释放报文段必须将终止比特置为1，并使其序号w等于前面已经传送过的数据的最后一个字节的序号加 1，还必须重复上次已发送过的ACK=u+1。

     4）主机A对主机B的连接释放报文段发出确认，将ACK置为1，ACK=w+1, seq=u+1。这样才把从B到A的反方向连接释放掉，主机A的TCP再向其应用进程报告，整个连接已经全部释放。0

  • 三次握手建立连接时，
    • 主要是为了防止已失效的连接请求报文段突然又传到了B,因而产生错误。假定出现一种异常情况，即A发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某些网络结点长时间滞留了，一直延迟到连接释放以后的某个时间才到达B，本来这是一个早已失效的报文段。但B收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是A又发出一次新的连接请求，于是就向A发出确认报文段，同意建立连接。假定不采用三次握手，那么只要B发出确认，新的连接就建立了，这样一直等待A发来数据，B的许多资源就这样白白浪费了。
  • 四次挥手释放连接时，等待2MSL的意义
    • 第一，为了保证A发送的最有一个ACK报文段能够到达B。这个ACK报文段有可能丢失，因而使处在LAST-ACK状态的B收不到对已发送的FIN和ACK报文段的确认。B会超时重传这个FIN和ACK报文段，而A就能在2MSL时间内收到这个重传的ACK+FIN报文段。接着A重传一次确认。
    • 第二，就是防止上面提到的已失效的连接请求报文段出现在本连接中，A在发送完最有一个ACK报文段后，再经过2MSL，就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。

  • 为什么建立连接协议是三次握手，而关闭连接却是四次握手

因为服务端的LISTEN状态下的SOCKET当收到SYN报文的连接请求后，它可以把ACK和SYN(ACK起应答作用，而SYN起同步作用)放在一个报文里来发送。但关闭连接时，当收到对方的FIN报文通知时，它仅仅表示对方没有数据发送给你了；但未必你所有的数据都全部发送给对方了，所以你可能未必会马上会关闭SOCKET,也即你可能还需要发送一些数据给对方之后，再发送FIN报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了，所以它这里的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的。

  • TCP的有限状态机

连接的建立和释放所要求的步骤可以用一个有限状态机来表达，该状态机有11种状态。每一种状态中都存在一些合法的事件，当合法事件发生的时候，可能需要采取某个动作。当其他事件发生的时候，则报告一个错误。

  • 客户进程变迁的过程（粗实线）
    • 连接建立：设一个主机的客户进程发起连接请求（主动打开），这时本地TCP实体就创建传输控制快（TCB），发送一个SYN为1的报文，进入SYN_SENT状态。当收到来自进程的SYN和ACK时，TCP就发送出三次握手中的最后一个ACK，进而进入连接已经建立的状态ESTABLISHED。
    • 连接释放：设运行客户进程主机本地TCP实体发送一个FIN置为1的报文，等待着确认ACK的到达，此时状态变为FIN_WAIT_1。当运行客户进程主机收到确认ACK时，则一个方向的连接已经关闭。状态变成FIN_WAIT_2。当运行客户进程的主机收到运行服务器进程的主机发送的FIN置为1的报文后，应响应确认ACK时，这是另一个连接关闭。但此时TCP还要等待一段时间后才删除原来建立的连接记录。返回到初始的CLOSED状态，这是为了保证原来连接上的所有分组都从网络中消失了。
  • 服务器进程变迁的过程（粗虚线）
    • 连接建立：服务器进程发出被动打开，进入监听状态LISTEN。当收到SYN置为1的连接请求报文后，发送确认ACK，并且报文中的SYN也置为1，然后进入SYN_RCVD状态。在收到三次握手最后一个确认ACK时，就转为ESTABLISHED状态。
    • 连接释放：当客户进程的数据已经传送完毕。就发出FIN置为1的报文给服务器进程，进入CLOSE_WAIT状态。服务器进程发送FIN报文段给客户进程，状态变为LAST_ACK状态。当收到客户进程的ACK时，服务器进程就释放连接。删除连接记录。回到原来的CLOSED状态。