tcp三次握手原理(简述tcp连接三次握手的原理)

一个数据包的生命过程：数据包如何送达主机、主机如何将数据包转交给应用、数据是如何被完整地送达应用程序 互联网，实际上是一套理念和协议组成的体系架构 。其中，协议是一套众所周知的规则和标准，如果各方都同意使用，那么它们之间的通信将变得毫无障碍。数据通信是通过数据包来传输的。如果发送的数据很大，那么该数据就会被拆分为很多小数据包来传输。之后再由接收方按照数据包中的一定规则将小的数据包整合成全部数据。IP 是非常底层的协议，只负责把数据包传送到对方电脑，不负责该数据包将由哪个程序去使用。数据包要在互联网上进行传输，就要符合网际协议（Internet Protocol，简称 IP）标准。计算机的地址就称为 IP 地址，访问任何网站实际上只是你的计算机向另外一台计算机请求信息。简单理解数据传输过程就是：装包和拆包。 如果要想把一个数据包从主机 A 发送给主机 B，那么在传输之前，数据包上会被附加上主机 B 的 IP 地址信息，这样在传输过程中才能正确寻址。额外地，数据包上还会附加上主机 A 本身的 IP 地址，有了这些信息主机 B 才可以回复信息给主机 A。这些附加的信息会被装进一个叫 IP 头的数据结构里。IP 头是 IP 数据包开头的信息，包含 IP 版本、源 IP 地址、目标 IP 地址、生存时间等信息。过程：1、上层将含有“数据”的数据包交给网络层；2、网络层再将 IP 头附加到数据包上，组成新的 IP 数据包，并交给底层；3、底层通过物理网络将数据包传输给主机 B；4、数据包被传输到主机 B 的网络层，在这里主机 B 拆开数据包的 IP 头信息，并将拆开来的数据部分交给上层；5、最终，含有“数据”信息的数据包就到达了主机 B 的上层了。基于 IP 之上开发能和应用打交道的协议，最常见的是“用户数据包协议（User Datagram Protocol）”，简称 UDP。负责将传输的数据包交给某一应用程序。UDP 中一个最重要的信息是端口号，端口号其实就是一个数字，每个想访问网络的程序都需要绑定一个端口号。通过端口号 UDP 就能把指定的数据包发送给指定的程序了， 所以 IP 通过 IP 地址信息把数据包发送给指定的电脑，而 UDP 通过端口号把数据包分发给正确的程序。 和 IP 头一样，端口号会被装进 UDP 头里面，UDP 头再和原始数据包合并组成新的 UDP 数据包。UDP 头中除了目的端口，还有源端口号等信息。为了支持 UDP 协议，我把前面的三层结构扩充为四层结构，在网络层和上层之间增加了传输层过程：1、 上层将数据包交给传输层；传输层会在数据包前面附加上 UDP 头，组成新的 UDP 数据包，再将新的 UDP 数据包交给网络层；2、网络层再将 IP 头附加到数据包上，组成新的 IP 数据包，并交给底层；3、数据包被传输到主机 B 的网络层，在这里主机 B 拆开 IP 头信息，并将拆开来的数据部分交给传输层；4、在传输层，数据包中的 UDP 头会被拆开，并根据 UDP 中所提供的端口号，把数据部分交给上层的应用程序；5、最终，含有信息的数据包就旅行到了主机 B 上层应用程序这里。在使用 UDP 发送数据时，有各种因素会导致数据包出错，虽然 UDP 可以校验数据是否正确，但是对于错误的数据包， UDP 并不提供重发机制，只是丢弃当前的包 ，而且 UDP 在发送之后也无法知道是否能达到目的地。虽说UDP 不能保证数据可靠性，但是传输速度却非常快 ，所以 UDP 会应用在一些关注速度、但不那么严格要求数据完整性的领域，如在线视频、互动游戏等上文说到的使用UDP 来传输会存在两个问题 ：1、数据包在传输过程中容易丢失；2、大文件会被拆分成很多小的数据包来传输，这些小的数据包会经过不同的路由，并在不同的时间到达接收端，而 UDP 协议并不知道如何组装这些数据包，从而把这些数据包还原成完整的文件。所以TCP协议很好地解决的这个问题。TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。1、对于数据包丢失的情况，TCP 提供重传机制；2、TCP 引入了数据包排序机制，用来保证把乱序的数据包组合成一个完整的文件。和 UDP 头一样，TCP 头除了包含了目标端口和本机端口号外，还提供了 用于排序的序列号 ，以便接收端通过序号来重排数据包一个完整的 TCP 连接的生命周期包括了“建立连接”“传输数据”和“断开连接”三个阶段。首先，建立连接阶段。这个阶段是通过“三次握手”来建立客户端和服务器之间的连接。TCP 提供面向连接的通信传输。面向连接是指在数据通信开始之前先做好两端之间的准备工作。所谓 三次握手 ，是指在建立一个 TCP 连接时，客户端和服务器总共要发送三个数据包以确认连接的建立。其次，传输数据阶段。在该阶段，接收端需要对每个数据包进行确认操作，也就是接收端在接收到数据包之后，需要发送确认数据包给发送端。所以当发送端发送了一个数据包之后，在规定时间内没有接收到接收端反馈的确认消息，则判断为数据包丢失，并触发发送端的重发机制。同样，一个大的文件在传输过程中会被拆分成很多小的数据包，这些数据包到达接收端后，接收端会按照 TCP 头中的序号为其排序，从而保证组成完整的数据。最后，断开连接阶段。数据传输完毕之后，就要终止连接了，涉及到最后一个阶段“ 四次挥手 ”来保证双方都能断开连接。三次握手和四次挥手限于篇幅可看另一篇文章： TCP协议中 的三次握手和四次挥手1、IP 负责把数据包送达目的主机。2、UDP 负责把数据包送达具体应用（可能会丢包)。3、而 TCP保证了数据完整地传输 ，它的连接可分为三个阶段：建立连接、传输数据和断开连接。 完整的数据流程

一、TCP握手协议 在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接服务，采用三次握手建立一个连接。第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包(syn=j)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入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，在上述过程中，还有一些重要的概念：未连接队列：在三次握手协议中，服务器维护一个未连接队列，该队列为每个客户端的SYN包（syn=j）开设一个条目，该条目表明服务器已收到SYN包，并向客户发出确认，正在等待客户的确认包。这些条目所标识的连接在服务器处于Syn_RECV状态，当服务器收到客户的确认包时，删除该条目，服务器进入ESTABLISHED状态。Backlog参数：表示未连接队列的最大容纳数目。SYN-ACK 重传次数 服务器发送完SYN－ACK包，如果未收到客户确认包，服务器进行首次重传，等待一段时间仍未收到客户确认包，进行第二次重传，如果重传次数超过系统规定的最大重传次数，系统将该连接信息从半连接队列中删除。注意，每次重传等待的时间不一定相同。 半连接存活时间：是指半连接队列的条目存活的最长时间，也即服务从收到SYN包到确认这个报文无效的最长时间，该时间值是所有重传请求包的最长等待时间总和。有时我们也称半连接存活时间为Timeout时间、SYN_RECV存活时间。
TCP/IP的三次握手的过程原理 它就好象你要去找一个人一样,首先是打电话联系,看别人有空没,如果他给你回答,可以,你在去找他!就是这个过程!为什么要实现这么多的过程,不直接发送过去呢? 当然是为了实现有保证的连接了,要不然的话,发送过去了，但接受方可能收不到!

TCP三次握手及原理 TCP/IP是很多的不同的协议组成，实际上是一个协议组，TCP用户数据报表协议(也称作TCP传输控制协议，Transport Control Protocol。可靠的主机到主机层协议。这里要先强调一下，传输控制协议是OSI网络的第四层的叫法，TCP传输控制协议是TCP/IP传输的6个基本协议的一种。两个TCP意思非相同。 )。TCP是一种可靠的面向连接的传送服务。它在传送数据时是分段进行的，主机交换数据必须建立一个会话。它用比特流通信，即数据被作为无结构的字节流。 通过每个TCP传输的字段指定顺序号，以获得可靠性。是在OSI参考模型中的第四层，TCP是使用IP的网间互联功能而提供可靠的数据传输，IP不停的把报文放到 网络上，而TCP是负责确信报文到达。在协同IP的操作中TCP负责：握手过程、报文管理、流量控制、错误检测和处理（控制），可以根据一定的编号顺序对非正常顺序的报文给予从新排列顺序。关于TCP的RFC文档有RFC793、RFC791、RFC1700。 在TCP会话初期，有所谓的“三握手”：对每次发送的数据量是怎样跟踪进行协商使数据段的发送和接收同步，根据所接收到的数据量而确定的数据确认数及数据发送、接收完毕后何时撤消联系，并建立虚连接。为了提供可靠的传送，TCP在发送新的数据之前，以特定的顺序将数据包的序号，并需要这些包传送给目标机之后的确认消息。TCP总是用来发送大批量的数据。当应用程序在收到数据后要做出确认时也要用到TCP。由于TCP需要时刻跟踪，这需要额外开销，使得TCP的格式有些显得复杂。
挑战握手协议（Challenge-Handshake Authentication Protocol）是一个用来验证用户，接入因特网接入服务提供者的验证协议authentication protocol。 RFC 1994详细定义了CHAP。CHAP 用于使用3次握手周期性的验证对端身份。在链路建立初始化时这样做，也可以在链路建立后任何时间重复验证。在链路建立完成后，验证者向对端发送一个“challenge”信息。对端使用一个“one-way-hash”函数计算出的值响应这个信息。验证者使用自己计算的hash值校验响应值。如果两个值匹配，则验证是承认得，否则连接应该终止。 在随机时间，验证端发送一个“challenge”给对端，重复1到3步。

原理四个主要方面：一、tcp协议之连接建立、断开二、tcp协议之超时重传三、tcp协议之窗口管理四、tcp协议之拥塞控制TCP是一种面向有连接的协议，也就是说必须确认对方存在时才能发送数据而TCP通过检验和、序列号、确认应答、重发控制、连接管理、窗口控制等机制来实现可靠传输。1. 目的：TCP三次握手是客户端和服务器总共发三个数据包，通过三个数据包来确认主动发送能力和被动接收能力是否正常。2. 实质：通过指定的四元组（源地址、源端口、目标地址、目标端口）来建立TCP连接，同步双方各自发送序列号seq和确认号ACK，同时也会交换窗口大小信息三次握手过程的实现方式就是交换序列号seq。随便在网上找个地址，如果通过域名想看ip地址，可以ping下看连接。① 192.168.3.7发送[SYN]报文段至222.169.228.146，告知序列号x为0。② 222.169.228.146发送[SYN，ACK]报文段至192.168.3.7，告知序列号y为0，确认号ACK为x+1=1。③192.168.3.7发送[ACK]报文段至222.169.228.146，告知确认号ACK为y+1=1。报文段中的其他参数：MSS=1460：允许从对方接收到的最大报文段，图中为1460字节（指承载的数据，不包含报文段的头部）。win=8192：滑动窗口的大小为8192字节。SACK_PERM=1：开启选择确认。为什么会使用SACK：tcp确认方式不是一段报文段一确认，而是采用累积确认方式。服务器接收到的报文段无序所以序列号也是不连续，服务器的接收队列会出现空洞情况。为了解决空洞，提前了解当前空洞，应对丢失遗漏，采取重传。提前了解方式就是通过SACK选项信息，SACK信息包含接收方已经成功接收的数据块的序列号范围。而SACK_PERM字段为1表明，选择开启了SACK功能。网络层可能会出现丢失、重复、乱序的问题，tcp是提供可靠的数据传输服务的，为了保证数据的正确性，tcp协议会重传它认为的已经丢失的包。重传两种机制：一种基于时间重传，一种基于确认报文段提供的信息重传。RTT：数据完全发送完（完成最后一个比特推送到数据链路上）到收到确认信号的时间（往返时间）。RTO：重传超时时间（tcp发送数据时设置一个计时器，当计时器超时没有收到数据确认信息，引发超时而重传，判断的标准就是RTO）。思考：发送序列号为1、2、3、4这4个报文段，但是出现了序列号2报文段丢失，怎么办？发送端接收到seq1的确认报文（ACK=2）后，等待seq=2的确认报文。接收端当收到序列号为3的报文（2已丢失），发送ack为4的确认报文，发送端正等待ack为2的确认报文，面对跳跃的报文，那么发送端会一直等待，直到超出指定时间，重传报文2。为什么不跳跃确认呢？tcp是累积确认方式，如果确认报文3，那么意味着报文1和报文2都已经成功接收。超时处理方式：思考：上面计时器是以时间为标准重传，那么可以通过确认报文的次数来决定重传。发送端接收到seq1的确认报文（ACK=2）后，等待seq=2的确认报文。接收端收到报文3、4、5，但是没收到报文2，那么接收端发送三个ACK为2的确认报文，发送端收到这个三个确认报文，重传报文2。思考：如果快速重传中丢失包的地方很多（报文2，报文,7，报文9，报文30，报文300....），那么需要从头到尾都重传，这很蛋疼？思考：SACK重传对于接收到重复数据段怎样运作没有明确规定，通过DSACK重传可以让发送方知道哪些数据被重复接收了，而且明确是什么原因造成的。发送端没有收到100-199的ACK包，超过指定时间，重传报文。接收端都已经收到200-299的发送报文了，又来100-199是重复报文。再向发送端发送一个ACK报文，设置SACK 100-199,告知发送端，已经收到了100-199包，只是回应ACK包丢失。发送端发送包100-199，由于网络延迟，一直没有达到接收端。接收端连续发送三个ACK 200确认报文，触发快速重传，发送端收到了ACK 500的确认报文，表明之前的报文都已经交付成功。接收端又收到了延迟的报文100-199，再次向发送端发送一个SACK 100-199的ACK 500报文。发送端发现这是重复报文，判断为网络延迟造成的。计时器重传：根据超时，重传。快速重传：根据接收三次相同ACK报文，重传。选择确认重传：根据接收端提供的SACK信息，重传。DSACK重传：根据重复报文，明确丢失ACK报文还是网络延迟。Category1：已发送且已确认（已经收到ACK报文的数据）。Category2：已发送但未收到确认。Category3：即将发送。Category4：窗口移动前都不能发送。可用窗口：46-51字节。发送窗口：32-51字节。RCV.NXT：左边界RCV.WND：接收窗口RCV.NXT+RCV.WND：右边界接收端接收到序列号小于左边界，那么被认为重复数据而被丢弃。接收端接收到序列号大于右边界，那么被认为超出处理范围，丢弃。注意：tcp协议为累积ACK结构，只有当达到数据序列号等于左边界时，数据才不会被丢弃。如果窗口更新ACK丢失，对于发送端，窗口左边界右移，已发送数据得到ACK确认之后，左右边界距离减小，发送端窗口会减小，当左右边界相等时，称为零窗口。零窗口之后：接收端发送窗口更新能会发生窗口更新ACK丢失。<>解释：TCP是通过接收端的通告窗口来实现流量控制的，通告窗口指示了接收端可接收的数据量。当窗口值变为0时，可以有效阻止发送端继续发送，直到窗口大小恢复为非零值。当接收端重新获得可用空间时，会给发送端传输一个窗口更新告知其可继续发送数据。这样的窗口更新通常都不包含数据（纯ACK），接收端向发送端发送的窗口更新ACK可能丢失。结果双方处于等待状态，发生死锁。解决方案：发送端会采用一个持续计时器间歇性地查询接收端，看其窗口是否已增长。触发窗口探测，强制要求接收端返回ACK。发送几次探测，窗口大小还是0，那么断开连接。出现SWS的情况：① 接收端通告窗口太小。② 发送端发送的数据太小。解决方案：① 针对接收端：不应通告小窗口值[RFC1122]描述：在窗口可增至一个全长的报文段（接收端MSS）或者接收端缓存空间的一半（取两者中较小值）之前，不能通告比当前窗口更大的窗口值。标准：min（MSS , 缓存空间/2）。② 针对发送端：不应发送小的报文至少满足以下其一：（1）可以发送MSS字节的报文。window size >= MSS或者 数据大小>=MSS（2）数据段长度>=接收端通告过的最大窗口值的一半，才可以发送。收到之前发送的数据的ack回包，再发送数据，否则一直攒数据。（3） -1 没有未经确认的在传数据或者-2 连接禁用Nagle算法。tcp基于ACK数据包中的通告窗口大小字段实现了流量控制。当网络大规模通信负载而瘫痪，默认网络进入拥塞状态，减缓tcp的传输。发送方和接收方被要求承担超负荷的通信任务时，采取降低发送速率或者最终丢弃部分数据的方法。反映网络传输能力的变量称为拥塞窗口（cwnd）。通告窗口（awnd）。发送窗口swnd=min（cwnd，awnd）目的：tcp在用拥塞避免算法探寻更多可用带宽之前得到cwnd值，帮助tcp建立ACK时钟。[RFC5681] ：在传输初始阶段，由于未知网络传输能力，需要缓慢探测可用传输资源，防止短时间内大量数据注入导致拥塞。慢启动算法针对这一问题而设计。在数据传输之初或者重传计时器检测到丢包后，需要执行慢启动。拥塞窗口值：每收到一个ACK值，cwnd扩充一倍。所以假设没有丢包且每个数据包都有相应ACK值，在k轮后swnd=，成指数增长。SMSS是发送方的最大段大小。慢启动阶段，cwnd会指数增长，很快，帮助确立一个慢启动阙值（ssthresh）。有了阙值，tcp会进入拥塞避免阶段，cwnd每次增长值近似于成功传输的数据段大小，成线性增长。实现公式：cwnd+=SMSS*SMSS/cwnd刚建立连接使用慢启动算法，初始窗口为4，收到一次ACK后，cwnd变为8，再收到一次ACK后，cwnd变为16，依次继续，32、64，达到阙值ssthresh为64。开始使用拥塞避免算法，设置ssthresh为ssthresh/2，值为32。重新从初始窗口4，线性递增到ssthresh=32。当cwnd < ssthresh时，使用慢启动算法当cwnd > ssthresh时，使用拥塞避免算法应用快速恢复算法时机：启动快速重传且正常未失序ACK段达到之前。启动快速恢复算法。实现过程：① 将ssthresh设置为1/2 cwnd，将cwnd设置为ssthresh+3*SMSS。② 每接收一个重复ACK，cwnd值暂时增加1 SMSS。③当接收到新数据ACK后，将cwnd设置为ssthresh。参考:<>

本文主要内容1、TCP数据包格式TCP数据包格式如下：注意到中间还有几个标志位：数据包格式当中，最重要的是理解序号和确认序号。TCP为什么是稳定可靠的，与序号与确认序号这套机制紧密相关，这也是TCP的精髓。2、TCP的三次握手众所周知，TCP协议是可靠的，而UDP协议是不可靠的。在一些场景中必须用TCP，比如说用户登录，必须给出明确答复是否登录成功等。而有些场景中，用户是否接收到数据则不那么关键，比如网络游戏当中，玩家射出一颗子弹，另外的玩家是否看到，完全取决于当前网络环境，如果网络卡顿，就会有玩家已经被射杀，但界面仍然刷新不出来的情况。这种情形适合UDP。为了保证TCP协议可靠，在建立连接之时就要得到保证。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。3、TCP的传输和确认TCP 传输的可靠性，可以用一句话归结：每收到对方数据，就发送 ACK 进行确定，发送方发送后没有收到 ACK 就隔一段时间重发。就是 A 向 B 发送消息（下面将 TCP 的报文直接看做是消息，消息一词跟 TCP 报文混用），B 收到消息后需要向 A 发送 ACK。这个 ACK 相当于返回结果，没有返回结果，A 就重新发送消息。归纳起来，A 有 3 种消息需要确认。另外 A 也可以发送 RST 消息，代表出错了。出错消息不需要确认。RST 也可以当成返回接口，替代正常的 ACK。返回 ACK，表示消息发送并处理成功，返回 RST 表示消息处理失败。因为通过网络传输，还有第三种结果，就是不确定成功失败。这样归纳起来。就有三种返回结果。这两种具体情况，A 根本识别不了，都只能重发。4、TCP的序号和确认序号A 向 B 发送消息，假如同时发送 a、b、c、d 消息，因为通过网络，这些消息的顺序并非固定的。而 B 返回 ACK 结果，这样就有一个问题，这个结果到底对应了哪个消息？另外当 A 超时重发后，原来的消息延时一段时候，又重新到达了 B，这样 B 就收到两条相同的消息，那么 B 怎么确定这两条消息是相同的呢？为了解决这个对应问题，每一条消息都需要有一个编号，返回结果也应该有一个编号。TCP 的序号可以看成是发送消息的编号，确认序号可以看成是返回结果的编号。有了编号，重复的消息才可以忽略，返回结果(ACK)才可以跟消息对应起来。当建立连接的时候，TCP 选定一个初始序号，之后每发送一个数据包（消息），就将序号递增，保证每发送不同的数据包，数据包的序号都是不同的。TCP 是这样处理的：SYN、FIN 也需要递增序号。不然 A 向 B 重发多个 SYN 或者 FIN, B 根本判断不了 SYN 是否相同，这样就不可以忽略重复的数据包了。当 TCP 发送 ACK 时，相当于返回结果，需要带有确认序号，以便跟发送的消息对应起来。当发送包编号为 a，递增长度为 len。其中 SYN 和 FIN 可以看成是递增长度为 1。这条消息可以这样表示为：现在来回顾三次握手过程。 A 发送序列号x给 B ， B 回复 A 确认号 x+ 1，同时发送序列号 y， A 接收到 B 的回复后，再回复确认号 y+1，同时发送序列号 x+1。给对方的回复一定是接收到的序号加1（或者是数据长度），这样对方才能知道我已经收到了，这样才能保证TCP是可靠的。