TCP的三次握手和四次挥手

对于TCP协议和UDP协议,大家应该都有所耳闻.
我们常用的网络通讯,比如浏览网页软件聊天,都是通过这两种协议来进行数据传输的,到底他们是如何工作的,这两种协议有什么区别呢 ?
请耐心看完这篇文章,你一定会有所收获

TCP协议和UDP协议都工作在传输层,他们的目标都是在程序之间传输数据.
数据可以是文本文件,可以是视频,也可以是图片,对于TCP协议和UDP协议来说,都是一堆二进制数,并没有多大的区别

那TCP与UDP之间的区别是什么?
想必看到这里的大家也能异口同声的说出来
最大的区别是一个基于连接,一个基于非连接

具体是什么意思?
我们来举一个简单的例子

如果把人与人的通信比喻为进程与进程的通信
我们基本有两种方式
第一种方式是写信
第二种方式是打电话
如果不考虑速度因素
这两种方式之间最大的区别是什么
就是信息出去之后
对方是否能收到
以及收到的信息内容是否完整先后寄两封信过去
是否按照顺序接收?
都变成了未知数?
甚至你填写的收信地址和收信人是否存在?

你都无法确认

而打电话则不同
从拨打电话到对方接通互相通话
再到结束通话后挂断
这一系列的流程都能得到及时的反馈
并且能确认对方准确地接收到

打电话是基于连接的,也就是TCP
而写信就是基于非连接的,也就是UDP

TCP是如何保证以上过程的
有三个关键的步骤,分别为三次握手,传输确认,四次挥手

三次握手是建立连接的过程
当客户端向服务端发起连接时
会先发一包连接请求数据过去
询问一下能否运建连接

这包数据我们称之为SYN 同步序列编号 (Synchronize Sequence Numbers)

如果对端同意连接
则回复一包SYN+ACK包
客户端收到之后回复一包ACK包, 连接建立

因为这个过程中互相发送了三包数据
所以称之为三次握手

为什么要三次握手
而不是两次握手?
服务端回复完SYN+ACK之后就建立连接
这是为了防止因为已失效的请求,报文突然又传到服务器引起错误
这是什么意思 ?
假设采用两次握手建立连接
客户端向服务端发送了一个SYN包,来请求建立连接
因为某些未知的原因并没有到达服务器,在中间某个网络节点产生了滞留
为了建立连接,客户端会重发送包,这次的数据包正常送达
服务端回复SYN+ACK之后建立起了连接,但是第一包数据阻塞的网络节点突然回复
第一包SYN包又送达到服务端,这时服务端会误认为是客户端,又发起了一个新的连接
从而在两次握手之后进入等待数据状态
服务端认为是两个连接
而客户端认为是一个连接
造成了状态不一致

如果在三次握手的情况下
服务端收不到最后的ACK包
自然不会认为连接建立成功
所以三次握手
本质上来说
就是为了解决网络信道不可靠的问题
为了能够在不可靠的信道上建立起可靠的连接
经过三次握手之后
客户端和服务端都进入了数据传输状态
我们刚才说过
TCP协议需要在不可靠的信道上保证可靠的连接
现在就有几个问题需要面对
一包数据有可能会被拆成多报发送
如何处理丢包问题?
这些数据包到达的先后顺序不同,如何处理乱序问题?
针对这些要求
TCP协议为每一个连接建立了一个发送缓冲区
从建立连接后的第一个字节的序列号为零,后面每个字节的序列号就会增加一
发送数据时从发送缓冲区取一部分数据组成发送报文
在其TCP协议头中会附带序列号和长度
接收端在收到数据后需要回复确认报文
确认报文中的ACK等于接收序列号加长度
也就是下一包数据需要发送的起始序列号

这样一问一答的发送方式
能够使发送端确认发送的数据已经被对方收到
发送端也可以一次发送连续的多包数据
接收端只需要回复一次ACK就可以了
这样发送端可以把代发送的数据
分割成一系列的碎片
发送到对端
对端根据序列号和长度
在接收后重构出来完整的数据
假设其中丢失了某些数据包
在接收端可以要求发送端重传
比如丢失了100~199这100个字节
接收端下发送端发送AC等于100的报文
发送端收到后重传这一包数据接收端进行补齐

以上过程不区分客户端和服务端
TCP连接是全双工的
对于两端来说
均采用上述机制
我们再来看一下什么是四次挥手

处于连接状态的客户端和服务端
都可以发起关闭连接请求
此时需要四次挥手来进行连接关闭
假设客户端主动发起连接关闭请求
他需要将服务端发起一包FIN包
表示要关闭连接
自己进入终止等待一状态
这是第一次挥手
服务端收到FIN包
发送一包ACK包
表示自己进入了关闭等待状态
客户端进入终止等待二状态
这是第二次挥手
服务端,此时还可以发送未发送的数据
而客户端还可以接收数据
待服务端发送完数据之后
发送一包FIN包
进入最后确认状态
这是第三次挥手
客户端收到之后回复ACK包进入超时等待状态
经过超时时间后关闭连接
而服务端收到ACK包后立即关闭连接
这是第四次挥手

为什么客户端需要等待超时时间
这是为了保证对方已收到ACK包
因为假设客户端发送完最后一包ACK包后
就释放了连接
一旦ACK包在网络中丢失
服务端将一直停留在最后确认状态
如果客户端发送最后一包ACK包后
等待一段时间
这时服务端因为没有收到艾克包
会重发FIN包
客户端会响应这个分包重返艾克包
并刷新超时时间
这个机制跟三次握手一样
也是为了保证在不可靠的网络链路中进行
可靠的连接断开确认

了解了TCP协议
我们再来看一下UDP协议
首先UDP协议是基于非连接的发送数据
就是简单的把数据包封装一下
然后从网卡发出去就可以了
数据包之间并没有状态上的联系
正因为UDP这种简单的处理方式
导致它的性能损耗非常少
对于CPU内存资源的占用也远小于TCP
但是对于网络传输过程中产生的丢包
UDP协议并不能保证
所以UDP在传输稳定性上要弱于TCP

所以我们能总结出来TCP和UDP的主要区别
TCP传输数据稳定可靠
适用于对网络通讯质量要求较高的场景
需要准确无误的传输给对方
比如传输文件
发送邮件
浏览网页等
UDP的优点是速度快
但是可能产生丢包
所以适用于对实时性要求较高
但是对少量丢包并没有太大要求的场景
比如域名查询
语音通信
视频直播等
Udp
还有一个非常重要的应用场景
就是隧道网络
什么是隧道网络
以及在SDN中用到的WECHLINE也是一种隧道网络
关于隧道网络的知识,后续再分享