传输层协议 TCP:TCP 为什么握手是 3 次、挥手是 4 次

TCP 和 UDP 是今天应用最广泛的传输层协议,拥有最核心的垄断地位。今天互联网的整个传输层,几乎都是基于这两个协议打造的。无论是应用开发、框架设计选型、做底层和优化,还是定位线上问题,只要碰到网络,就逃不开 TCP 协议相关的知识。在面试中 TCP 一直是一个高频考察内容,外加 TCP 关联的知识比较多,因此面试题五花八门。

TCP 协议

TCP(Transport Control Protocol)是一个传输层协议,提供 Host-To-Host 数据的可靠传输,支持全双工,是一个连接导向的协议。

这里面牵涉很多概念,比如主机到主机、连接、会话、双工/单工及可靠性等,接下来我会为你逐一解释。

主机到主机(Host-To-Host)

TCP 提供的是 Host-To-Host 传输,一台主机通过 TCP 发送数据给另一台主机。这里的主机(Host)是一个抽象的概念,可以是手机、平板、手表等。收发数据的设备都是主机,所以双方是平等的。

TCP 协议往上是应用到应用(Application-To-Application)的协议。什么是应用到应用的协议呢?比如你用微信发信息给张三,你的微信客户端、微信聊天服务都是应用。微信有自己的聊天协议,微信的聊天协议是应用到应用的协议;如果微信的聊天协议想要工作,就需要一个主机到主机的协议帮助它实现通信。

而 TCP 上层有太多的应用,不仅仅有微信,还有原神、抖音、网易云音乐……因此 TCP 上层的应用层协议使用 TCP 能力的时候,需要告知 TCP 是哪个应用——这就是端口号。端口号用于区分应用,下文中我们还会详细讨论。

TCP 要实现主机到主机通信,就需要知道主机们的网络地址(IP 地址),但是 TCP 不负责实际地址到地址(Address-To-Address)的传输,因此 TCP 协议把 IP 地址给底层的互联网层处理。

互联网层,也叫网络层(Network Layer),提供地址到地址的通信,IP 协议就在这一层工作。互联网层解决地址到地址的通信,但是不负责信号在具体两个设备间传递。因此,网络层会调用下方的链路层在两个相邻设备间传递信息。当信号在两个设备间传递的时候,科学家又设计出了物理层封装最底层的物理设备、传输介质等,由最下方的物理层提供最底层的传输能力。

以上的 5 层架构,我们称为互联网协议群,也称作 TCP/IP 协议群。总结下,主机到主机(Host-To-Host)为应用提供应用间通信的能力。

什么是连接和会话?

下一个关联的概念是连接(Connection)——连接是数据传输双方的契约。

连接是通信双方的一个约定,目标是让两个在通信的程序之间产生一个默契,保证两个程序都在线,而且尽快地响应对方的请求,这就是连接(Connection)。

设计上,连接是一种传输数据的行为。传输之前,建立一个连接。具体来说,数据收发双方的内存中都建立一个用于维护数据传输状态的对象,比如双方 IP 和端口是多少?现在发送了多少数据了?状态健康吗?传输速度如何?等。所以,连接是网络行为状态的记录。

和连接关联的还有一个名词,叫作会话(Session),会话是应用的行为。比如微信里张三和你聊天,那么张三和你建立一个会话。你要和张三聊天,你们创建一个聊天窗口,这个就是会话。你开始 Typing,开始传输数据,你和微信服务器间建立一个连接。如果你们聊一段时间,各自休息了,约定先不要关微信,1 个小时后再回来。那么连接会断开,因为聊天窗口没关,所以会话还在。

在有些系统设计中,会话会自动重连(也就是重新创建连接),或者帮助创建连接。 此外,会话也负责在多次连接中保存状态,比如 HTTP Session 在多次 HTTP 请求(连接)间保持状态(如用户信息)。

总结下,会话是应用层的概念,连接是传输层的概念。

双工/单工问题

接下来我们聊聊什么是双工/单工。

在任何一个时刻,如果数据只能单向发送,就是单工,所以单工需要至少一条线路。如果在某个时刻数据可以向一个方向传输,也可以向另一个方向反方向传输,而且交替进行,叫作半双工;半双工需要至少 1 条线路。最后,如果任何时刻数据都可以双向收发,这就是全双工,全双工需要大于 1 条线路。当然这里的线路,是一个抽象概念,你可以并发地处理信号,达到模拟双工的目的。

TCP 是一个双工协议,数据任何时候都可以双向传输。这就意味着客户端和服务端可以平等地发送、接收信息。正因为如此,客户端和服务端在 TCP 协议中有一个平等的名词——Host(主机)。

什么是可靠性?

可靠性指数据保证无损传输。如果发送方按照顺序发送,然后数据无序地在网络间传递,就必须有一种算法在接收方将数据恢复原有的顺序。另外,如果发送方同时要把消息发送给多个接收方,这种情况叫作多播,可靠性要求每个接收方都无损收到相同的副本。多播情况还有强可靠性,就是如果有一个消息到达任何一个接收者,那么所有接受者都必须收到这个消息。说明一下,本专栏中,我们都是基于单播讨论可靠性。

TCP 的握手和挥手

TCP 是一个连接导向的协议,设计有建立连接(握手)和断开连接(挥手)的过程。TCP 没有设计会话(Session),因为会话通常是一个应用的行为。

TCP 协议的基本操作
TCP 协议有这样几个基本操作:

  • 如果一个 Host 主动向另一个 Host 发起连接,称为 SYN(Synchronization),请求同步;
  • 如果一个 Host 主动断开请求,称为 FIN(Finish),请求完成;
  • 如果一个 Host 给另一个 Host 发送数据,称为 PSH(Push),数据推送。

以上 3 种情况,接收方收到数据后,都需要给发送方一个 ACK(Acknowledgement)响应。请求/响应的模型是可靠性的要求,如果一个请求没有响应,发送方可能会认为自己需要重发这个请求。

建立连接的过程(三次握手)

因为要保持连接和可靠性约束,TCP 协议要保证每一条发出的数据必须给返回,返回数据叫作 ACK(也就是响应)。

按照这个思路,你可以看看建立连接是不是需要 3 次握手:

  1. 客户端发消息给服务端(SYN)
  2. 服务端准备好进行连接
  3. 服务端针对客户端的 SYN 给一个 ACK
    你可以能会问,到这里不就可以了吗?2 次握手就足够了。但其实不是,因为服务端还没有确定客户端是否准备好了。比如步骤 3 之后,服务端马上给客户端发送数据,这个时候客户端可能还没有准备好接收数据。因此还需要增加一个过程。

接下来还会发生以下操作:

  1. 服务端发送一个 SYN 给客户端
  2. 客户端准备就绪
  3. 客户端给服务端发送一个 ACK

你可能会问,上面不是 6 个步骤吗? 怎么是 3 次握手呢?下面我们一起分析一下其中缘由。

  • 步骤 1 是 1 次握手;
  • 步骤 2 是服务端的准备,不是数据传输,因此不算握手;
  • 步骤 3 和步骤 4,因为是同时发生的,可以合并成一个 SYN-ACK 响应,作为一条数据传递给客户端,因此是第 2 次握手;
  • 步骤 5 不算握手;
  • 步骤 6 是第 3 次握手。

为了方便你理解步骤 3 和步骤 4,这里我画了一张图。可以看到下图中 SYN 和 ACK 被合并了,因此建立连接一共需要 3 次握手,过程如下图所示:
从上面的例子中,你可以进一步思考 SYN、ACK、PSH 这些常见的标识位(Flag)在传输中如何表示。

一种思路是为 TCP 协议增加协议头。在协议头中取多个位(bit),其中 SYN、ACK、PSH 都占有 1 个位。比如 SYN 位,1 表示 SYN 开启,0 表示关闭。因此,SYN-ACK 就是 SYN 位和 ACK 位都置 1。这种设计,我们也称为标识(Flag)。标识位是放在 TCP 头部的,关于标识位和 TCP 头的内容。

断开连接的过程(4 次挥手)

继续上面的思路,如果断开连接需要几次握手?给你一些提示,你可以在脑海中这样构思。

  1. 客户端要求断开连接,发送一个断开的请求,这个叫作(FIN)。
  2. 服务端收到请求,然后给客户端一个 ACK,作为 FIN 的响应。
  3. 这里你需要思考一个问题,可不可以像握手那样马上传 FIN 回去?
    其实这个时候服务端不能马上传 FIN,因为断开连接要处理的问题比较多,比如说服务端可能还有发送出去的消息没有得到 ACK;也有可能服务端自己有资源要释放。因此断开连接不能像握手那样操作——将两条消息合并。所以,服务端经过一个等待,确定可以关闭连接了,再发一条 FIN 给客户端。
  4. 客户端收到服务端的 FIN,同时客户端也可能有自己的事情需要处理完,比如客户端有发送给服务端没有收到 ACK 的请求,客户端自己处理完成后,再给服务端发送一个 ACK。

经过以上分析,就可以回答上面这个问题了。是不是刚刚好 4 次挥手?过程如下图所示:

总结

在学习 3 次握手、4 次挥手时,你一定要理解为什么这么设计,而不是死记硬背。最后。我们一起总结一下今天的重点知识。

  1. TCP 提供连接(Connection),让双方的传输更加稳定、安全。
  2. TCP 没有直接提供会话,因为应用对会话的需求多种多样,比如聊天程序会话在保持双方的聊天记录,电商程序会话在保持购物车、订单一致,所以会话通常在 TCP 连接上进一步封装,在应用层提供。
  3. TCP 是一个面向连接的协议(Connection -oriented Protocol),说的就是 TCP 协议参与的双方(Host)在收发数据之前会先建立连接。后面我们还会学习 UDP 协议,UDP 是一个面向报文(Datagram-oriented)的协议——协议双方不需要建立连接,直接传送报文(数据)。
  4. 最后,连接需要消耗更多的资源。比如说,在传输数据前,必须先协商建立连接。因此,不是每种场景都应该用连接导向的协议。像视频播放的场景,如果使用连接导向的协议,服务端每向客户端推送一帧视频,客户端都要给服务端一次响应,这是不合理的。

那么通过以上的学习,你现在可以尝试来回答面试题目:TCP 为什么是 3 次握手,4 次挥手?

【解析】TCP 是一个双工协议,为了让双方都保证,建立连接的时候,连接双方都需要向对方发送 SYC(同步请求)和 ACK(响应)。

握手阶段双方都没有烦琐的工作,因此一方向另一方发起同步(SYN)之后,另一方可以将自己的 ACK 和 SYN 打包作为一条消息回复,因此是 3 次握手——需要 3 次数据传输。

到了挥手阶段,双方都可能有未完成的工作。收到挥手请求的一方,必须马上响应(ACK),表示接收到了挥手请求。类比现实世界中,你收到一个 Offer,出于礼貌你先回复考虑一下,然后思考一段时间再回复 HR 最后的结果。最后等所有工作结束,再发送请求中断连接(FIN),因此是 4 次挥手。

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文章名称:传输层协议 TCP:TCP 为什么握手是 3 次、挥手是 4 次
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