技術(shù)革命

格雷厄姆在《黑客與畫(huà)家》中提到一個(gè)觀點(diǎn)，歷史上財(cái)富的積累無(wú)非兩種方式---偷竊和搶奪。新技術(shù)革命的出現(xiàn)，財(cái)富的積累的新方式則是技術(shù)進(jìn)步。

技術(shù)進(jìn)步創(chuàng)造了無(wú)數(shù)的財(cái)富，而這個(gè)技術(shù)指的就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。相對(duì)于人類的文明，網(wǎng)絡(luò)的歷史如同曇花一現(xiàn)，恰恰是這么短的時(shí)間內(nèi)，所創(chuàng)造的文明和財(cái)富卻是前所未有。相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)自身的發(fā)展，其實(shí)已經(jīng)算是歷史悠久了。然而自從網(wǎng)絡(luò)誕生到現(xiàn)在，網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)架構(gòu)理論，基本的通信協(xié)議改變也不是很大。

我們所熟知的Internet，把全世界的人連接起來(lái)，Inernet構(gòu)建于TCP/IP模型基礎(chǔ)之上。TCP/IP模型有著很多協(xié)議，其中與網(wǎng)絡(luò)（web）應(yīng)用開(kāi)發(fā)者息息相關(guān)的莫過(guò)于TCP協(xié)議。想要了解TCP協(xié)議的本質(zhì)，起始于TCP的三次握手和四次揮手。

TCP 握手連接

連接是一個(gè)通信的行為。建立連接，就能使用連接進(jìn)行通信。連接作用于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。TCP是有狀態(tài)的協(xié)議，因此兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間想要通過(guò)tcp發(fā)送數(shù)據(jù)，必須先建立可靠有效的連接。tcp是雙通道的通信模式，因此tcp的連接（邏輯連接）其實(shí)是兩條物理連接，即客戶端-->連接和服務(wù)端--->客戶端的連接。

Handshake.png

上圖即是經(jīng)典的TCP三次握手。握手前，服務(wù)端創(chuàng)建socket對(duì)象，綁定地址，開(kāi)啟監(jiān)聽(tīng)；客戶端創(chuàng)建socket，準(zhǔn)備連接。然后進(jìn)行三次握手連接：

1. clinet向server端發(fā)送一個(gè)[SYN]包，seq=x。
2. server收到[SYN]包之后，向clinet發(fā)送[SYN ACK] seq=y，ack=x+1
3. clinet收到server的syn和ack之后，再向server端發(fā)送[ACK] ack=y+1包，至此三次握手完成。

創(chuàng)建一個(gè)tcp連接，通過(guò)三次握手即可。其實(shí)三次握手的clinet和server端是在不同的變化狀態(tài)。下面詳細(xì)討論下三次握手中的兩端的狀態(tài)變化。

TCP 握手c/s端狀態(tài)

針對(duì)三次握手的詳細(xì)過(guò)程，有如下過(guò)程：

1. 發(fā)起握手的時(shí)候，clinet發(fā)送[SYN]包之后，自身馬上變成SYN_SENT狀態(tài)，server則是進(jìn)行了listen，自身的狀態(tài)則變成LISTEN。接受到[SYN]包之后，自身變成SYN_RCVD狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程主要含義是clinet向server建立一條發(fā)送數(shù)據(jù)的連接。

2. server端收到了client的SYN之后，馬上會(huì)發(fā)送一個(gè)[SYN ACK]包，這里一共有兩個(gè)作用。ACK用于應(yīng)答client，表示client->server的連接已經(jīng)建立，同時(shí)server也想向client建立一條發(fā)送數(shù)據(jù)的連接，因此也需要發(fā)送一個(gè)[SYN]包。

3. client收到了server的[SYN ACK]。通過(guò)server發(fā)的ACK確定了client->server這條連接建立。自身狀態(tài)變成了ESTABLISHED，表示可以正常的發(fā)送數(shù)據(jù)給server了。同時(shí)為了響應(yīng)server發(fā)送的建立連接的SYN請(qǐng)求，再次給server做一次ACK的應(yīng)答，一旦server收到clinet的ACK應(yīng)答，server的狀態(tài)也會(huì)變成ESTABLISHED。

上述的過(guò)程中涉及到幾個(gè)狀態(tài)，其中SYN_SENT和SYN_RCVD非常短暫，使用nc等工具也很難看到這種狀態(tài)的。syn包表示希望建立一個(gè)連接，ack包表示應(yīng)答。連接的本質(zhì)是：

    client  ----- 發(fā)送syn ------>  server  希望創(chuàng)建連接
    client  <----- 發(fā)送ack ------  server  確定創(chuàng)建連接

之所以是三次握手，而不是第四次握手，是因?yàn)榈诙挝帐值臅r(shí)候，server把 [SYN] 和 [ACK]一起發(fā)送了。

參考

TCP 揮手?jǐn)噙B

了解了tcp的握手方式，那么揮手方式就很容易理解啦。與創(chuàng)建連接syn不一樣，想要端口連接需要發(fā)送的是fin包。同樣為了確定斷開(kāi)連接，需要發(fā)送ack應(yīng)答確認(rèn)包。大概方式入下圖：

Termination.png

斷開(kāi)tcp需要四步，斷開(kāi)連接既可以是client主動(dòng)，server被動(dòng)，也可以server主動(dòng)斷開(kāi)。兩種的狀態(tài)變化也是相對(duì)而言。下面以client主動(dòng)斷開(kāi)為例：

1. client發(fā)送[FIN]包，表示要斷開(kāi)clinet->server的連接。
2. server收到[FIN]之后，發(fā)送一個(gè)[ACK]包表示確定斷開(kāi)連接啦。
3. 同時(shí)server也會(huì)向clinet再發(fā)一個(gè)[FIN]包，表示也想斷開(kāi)server->clinet的連接。
4. clinet收到server的[ACK]包，確定了clinet->server的連接的斷開(kāi)，該連接將不會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)啦。由于client也會(huì)收到server的[FIN]包，因此也要為斷開(kāi)server->clinet的連接發(fā)送[ACK]給server確定。

至此，四次揮手完成。下面詳細(xì)四次交互過(guò)程兩個(gè)端的狀態(tài)。

client和server端傳送數(shù)據(jù)的時(shí)候，雙方的狀態(tài)都是ESTABLISHED。一旦clinet發(fā)送了fin之后，自身變成FIN-WAIT-1的狀態(tài)，意思是等待server端的ack確定。此時(shí)，該通道不再向server發(fā)送數(shù)據(jù)，但是仍然可以接收server數(shù)據(jù)了。

server收到了clinet發(fā)送的ack之后，自身的狀態(tài)由ESTABLISHED變成CLOSE_WAIT。client收到ack后，自身由FIN-WAIT-1變成FIN-WAIT-2，斷開(kāi)了連接。此時(shí)client在等待server端的fin信號(hào)。

server 發(fā)送 ack之后，自身就由CLOSE_WAIT變成LAST-ACK狀態(tài)，即等待client的最后的ack確定。client收到server的fin包之后，自身就由 FIN-WAIT-2 變成 TIME_WAIT狀態(tài)，等待一個(gè)2MSL時(shí)間之后，就變成了CLOSED狀態(tài)。

最后server收到client的ack確定之后，自身也變成CLOSED狀態(tài)。

參考

問(wèn)題

三次握手保證了TCP連接的可靠性，假設(shè)沒(méi)有三次握手只有兩次。如果client發(fā)送第一個(gè)syn的時(shí)候延遲很大，導(dǎo)致client發(fā)送了第二個(gè)，第二個(gè)syn很快就到達(dá)server端。于是server發(fā)送ack確定連接，并發(fā)送syn。在兩次握手的情況下，服務(wù)器認(rèn)為連接都建立好了。如果此時(shí)第一個(gè)syn又抵達(dá)了服務(wù)器，那么服務(wù)器將會(huì)再次應(yīng)答，向client端發(fā)送連接請(qǐng)求。這樣會(huì)造成無(wú)效的連接，通過(guò)第三次握手，可以在server應(yīng)答無(wú)效連接的時(shí)候提前終止。也就是最后一次握手不再發(fā)送ack，那么server就不會(huì)再創(chuàng)建連接。

在關(guān)閉連接的時(shí)候，雖然兩個(gè)端都統(tǒng)一關(guān)閉連接，并且四次交互也發(fā)送完畢。假設(shè)如果網(wǎng)絡(luò)延遲很大，或者丟包嚴(yán)重，就很難保證client最后一次ack一定能被server收到。如果server收不到，會(huì)重發(fā)fin。為了解決這個(gè)問(wèn)題，通常在client發(fā)送ack之后2MSL時(shí)間，才由TIME_WAIT變成CLOSED狀態(tài)，在此期間，client可以針對(duì)server補(bǔ)發(fā)的fin重發(fā)ack。

還有一個(gè)CLOSING狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)表示client發(fā)送了FIN之后，并沒(méi)有收到ACK，反而先收到了server的FIN。當(dāng)然這種情況十分罕見(jiàn)的“異常”狀態(tài)。雙方都同時(shí)關(guān)閉連接，有可能在四次交互的時(shí)候，出現(xiàn)某些包延遲。

總結(jié)

TCP 連接和斷開(kāi)的過(guò)程中，都是一問(wèn)一答的方式，創(chuàng)建連接的問(wèn)是syn，回答是ack，同樣斷開(kāi)連接的問(wèn)是fin，回答是ack。有問(wèn)必有答，那么連接就能正常的創(chuàng)建和關(guān)閉。因?yàn)閠cp通信是雙通道的，因此一個(gè)TCP邏輯連接，實(shí)際上是兩條成對(duì)client和server端的物理連接。無(wú)論連接和斷開(kāi)，都需要把這兩個(gè)連接都處理完畢才能完成。也因?yàn)檫@兩個(gè)過(guò)程，中間衍生出了很多狀態(tài)。這些狀態(tài)在創(chuàng)建連接的時(shí)候有client和server端的區(qū)分，在斷開(kāi)的連接的時(shí)候就沒(méi)有特別區(qū)別，只有主動(dòng)斷開(kāi)和被動(dòng)斷開(kāi)的差別。

至于tcp三次握手中兩端的“兩個(gè)連接”的通信通道，他們的具體原理和過(guò)程，我們將會(huì)在TCP連接與Python中詳細(xì)討論。