LWIP协议栈之TCP建立与断开(三次握手、四次挥手)

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LWIP协议栈之TCP建立与断开(三次握手、四次挥手)

2024-07-16 04:12| 来源: 网络整理| 查看: 265

简介

TCP叫传输控制协议，它为上层提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。面向连接意味着两个使用TCP的应用（通常是一个客户和一个服务器）在彼此交换数据之前必须先建立一个TCP连接。在一个TCP连接中，仅有两方进行彼此通信，广播和多播不能用于TCP。

TCP的服务

TCP通过下列方式来提供可靠性：

应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块；当TCP发出一个报文段后，它起动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能，将重发这个报文段。当TCP收到发自TCP连接另一端的数据，它将发送一个确认。这个确认不是立即发送，通常将推迟几分之一秒。TCP将保持它首部和数据的校验和。这个一个端到端的校验，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。若有差错，则丢弃这个报文段。既然TCP报文段作为IP数据报来传输，而IP数据报的到达可能会失序，因此TCP报文段的到达也可能会失序。既然IP数据报会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据。TCP还能提供流量控制。TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。TCP的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。

字节流服务：

两个应用程序通过TCP连接交换8bit字节构成的字节流，TCP不在字节流中插入记录标识符。如果一方的应用程序先传10字节，又传20字节，再传50字节，连接的另一方将无法了解发方每次发送了多少字节。收方可以分4次接收这80个字节，每次接收20字节。一端将字节流放到TCP连接上，同样的字节流将出现在TCP连接的另一端。TCP对字节流的内容不作任何解释，对字节流的解释由TCP连接双方的应用层解释。 TCP的首部格式

TCP数据被封装在一个IP数据报中，如下图所示： [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-5gFQ0ecx-1597136008354)(images/17.jpg)]

下图所示为TCP首部的数据格式，如果不计任选字段，它通常是20个字节。 [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-9JC1qlLR-1597136008359)(images/18.jpg)]

每个TCP段都包含源端和目的端的端口号，用于寻找发送端和接收端应用进程。这两个值加上IP首部中的源端IP地址和目的端IP地址唯一确定一个TCP连接。一个IP地址和一个端口号也称为一个插口(socket)。插口对（socket pair）（包含客户IP地址、客户端口号、服务器IP地址和服务器端口号的四元组）可唯一确定互联网络中每个TCP连接的双方。32位序号字段用来标识从TCP发送端到TCP接收接收端的数据字节流，用它来标识这个报文段中的第一个数据字节的序号。当建立一个新的连接时，SYN标志置1；32位确认序号只有ACK标志为1时才有效，它包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号。因此确认序号应该是上次已成功收到数据字节序号加1；4位首部长度给出首部中32bit的数目，因此TCP最多有60字节的首部，正常长度为20字节；在TCP首部中有6个标志bit，他们中的多个可同时被设置为1. URG 紧急指针（urgent pointer）有效标识；ACK 确认序号有效标识；PSH 接收方应该尽快将这个报文段交给应用层；RST 重建连接；SYN 同步序号，用来发起一个连接；FIN 发端完成发送任务。 16位窗口大小字段通过声明自身的窗口大小来实现流量控制，窗口大小表示还能接收的字节数；16 位检验和覆盖了整个的 TCP 报文段： TCP 首部和 TCP 数据。16位紧急指针是一个正的偏移量，和序号字段中的值想加表示紧急数据最后一个字节的序号，只有当URG标志置1时紧急指针才有效。 LwIP协议栈描述 PACK_STRUCT_BEGIN struct tcp_hdr { PACK_STRUCT_FIELD(u16_t src); // 源端口 PACK_STRUCT_FIELD(u16_t dest); // 目的端口 PACK_STRUCT_FIELD(u32_t seqno); // 序号 PACK_STRUCT_FIELD(u32_t ackno); // 确认序号 PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _hdrlen_rsvd_flags); // 首部长度+保留位+标志位 PACK_STRUCT_FIELD(u16_t wnd); // 窗口大小 PACK_STRUCT_FIELD(u16_t chksum); // 校验和 PACK_STRUCT_FIELD(u16_t urgp); // 紧急指针 } PACK_STRUCT_STRUCT; PACK_STRUCT_END TCP连接的建立过程（三次握手）

三次握手的过程如下图所示: 在这里插入图片描述

请求端（通常称为客户）发送一个SYN标志置1的TCP数据报，数据包中指明自己的端口号及将连接的服务器的端口号，同时通告自己的初始序号ISN；当服务器接收到该数据包并解析后，也发回一个SYN报文段作为应答。该回应报文包含服务器自身选定的ISN；同时将ACK置1，将确认序号设置为请求端的ISN加1以对客户的SYN报文段进行确认，这里的ISN也表示了服务器希望接收到的下一个字节的序号，由此可见一个SYN将占用一个序号；最后当请求端接收到服务器的 SYN 应答包后，会再次产生一个握手包，这个包中，ACK 标志置位，确认序号设置为服务器发送的 ISN 加 1，以此来实现对服务器的 SYN 报文段的确认。 TCP连接的断开过程（四次挥手）

一个TCP连接是全双工（即数据在两个方向上能同时传递），因此每个方向必须单独的进行关闭。

当发送数据的一方完成它的数据发送任务后它就可以发送一个 FIN 标志置 1 的握手包来终止这个方向连接。当另一端收到这个FIN包时，它必须通知应用层另一端已经终止了那个方向连接；发送 FIN 通常是应用层进行关闭的结果，收到一个 FIN 意味着在这一方向上已经没有数据流动。一个 TCP 连接在收到一个 FIN 后仍能发送数据，此时的连接处于半关闭状态。通常首先进行关闭的一方（即发送第一个 FIN）将执行主动关闭，而另一方（收到这个 FIN）执行被动关闭。通常一方完成主动关闭而另一方完成被动关闭，但也存在双方都为主动关闭的情况。

如下图所示为四次挥手的过程：在这里插入图片描述

过程描述为：

客户端发送断开TCP连接请求的报文，其中报文中包含seq序列号，是由发送端随机生成的，并且还将报文中的FIN字段置为1，表示需要断开TCP连接。（FIN=1，seq=x，x由客户端随机生成）服务端会回复客户端发送的TCP断开请求报文，其包含seq序列号，是由回复端随机生成的，而且会产生ACK字段，ACK字段数值是在客户端发过来的seq序列号基础上加1进行回复，以便客户端收到信息时，知晓自己的TCP断开请求已经得到验证。（FIN=1，ACK=x+1，seq=y，y由服务端随机生成）服务端在回复完客户端的TCP断开请求后，不会马上进行TCP连接的断开，服务端会先确保断开前，所有传输到A的数据是否已经传输完毕，一旦确认传输数据完毕，就会将回复报文的FIN字段置1，并且产生随机seq序列号。（FIN=1，ACK=x+1，seq=z，z由服务端随机生成）客户端收到服务端的TCP断开请求后，会回复服务端的断开请求，包含随机生成的seq字段和ACK字段，ACK字段会在服务端的TCP断开请求的seq基础上加1，从而完成服务端请求的验证回复。（FIN=1，ACK=z+1，seq=h，h为客户端随机生成） 11种状态(详细过程)

三次握手在这里插入图片描述过程描述(三次握手)：

一开始，建立连接之前服务器和客户端的状态都为CLOSED；服务器创建socket后开始监听，变为LISTEN状态；客户端请求建立连接，向服务器发送SYN报文，客户端的状态变味SYN_SENT；服务器收到客户端的报文后向客户端发送ACK和SYN报文，此时服务器的状态变为SYN_RCVD；然后，客户端收到ACK、SYN，就向服务器发送ACK，客户端状态变为ESTABLISHED；服务器端收到客户端的ACK后变为ESTABLISHED。此时3次握手完成，连接建立！

四次挥手在这里插入图片描述

客户端先向服务器发送FIN报文，请求断开连接，其状态变为FIN_WAIT1；服务器收到FIN后向客户端发送ACK，服务器的状态围边CLOSE_WAIT；客户端收到ACK后就进入FIN_WAIT2状态，此时连接已经断开了一半了。如果服务器还有数据要发送给客户端，就会继续发送；直到发完数据，就会发送FIN报文，此时服务器进入LAST_ACK状态；客户端收到服务器的FIN后，马上发送ACK给服务器，此时客户端进入TIME_WAIT状态；再过了2MSL长的时间后进入CLOSED状态。服务器收到客户端的ACK就进入CLOSED状态。至此，还有一个状态没有出来：CLOSING状态。 CLOSING状态表示：客户端发送了FIN，但是没有收到服务器的ACK，却收到了服务器的FIN，这种情况发生在服务器发送的ACK丢包的时候，因为网络传输有时会有意外。

11种状态汇总： LISTEN：等待从任何远端TCP 和端口的连接请求。

SYN_SENT：发送完一个连接请求后等待一个匹配的连接请求。

SYN_RECEIVED：发送连接请求并且接收到匹配的连接请求以后等待连接请求确认。

ESTABLISHED：表示一个打开的连接，接收到的数据可以被投递给用户。连接的数据传输阶段的正常状态。

FIN_WAIT_1：等待远端TCP 的连接终止请求，或者等待之前发送的连接终止请求的确认。

FIN_WAIT_2：等待远端TCP 的连接终止请求。

CLOSE_WAIT：等待本地用户的连接终止请求。

CLOSING：等待远端TCP 的连接终止请求确认。

LAST_ACK：等待先前发送给远端TCP 的连接终止请求的确认（包括它字节的连接终止请求的确认）

TIME_WAIT：等待足够的时间过去以确保远端TCP 接收到它的连接终止请求的确认。 TIME_WAIT 两个存在的理由： 1.可靠的实现tcp全双工连接的终止； 2.允许老的重复分节在网络中消逝。

CLOSED：不在连接状态（这是为方便描述假想的状态，实际不存在）

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