TCP的握手机制详解
一. TCP/IP协议族
TCP/IP是一个协议族，通常分不同层次进行开发，每个层次负责不同的通信功能。包含以下四个层次：
1. 链路层，也称作数据链路层或者网络接口层，通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。它们一起处理与电缆（或其他任何传输媒介）的物理接口细节。
2. 网络层，也称作互联网层，处理分组在网络中的活动，例如分组的选路。网络层协议包括IP协议（网际协议）、ICMP协议（Internet互联网控制报文协议），以及IGMP协议（Internet组管理协议）。
3. 运输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在TCP/IP协议族中，有两个互不相同的传输协议：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。TCP为两台主机提供高可靠性的数据通信。他所作的工作包括把应用程序交给它的数据分成合适的小块交给下面的网络层，确认接收到的分组，设置发送最后确认分组的超时时钟等。由于运输层提供了高可靠性的端到端通信，因此应用层可以忽略所有这些细节。而另一方面，UDP则为应用层提供一种非常简单的服务。它只是把称作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数据报能到达另一端。任何必须的可靠性必须由应用层来提供。
4. 应用层负责处理特定的应用程序细节。包括Telnet（远程登录）、FTP（文件传输协议）、SMTP（简单邮件传送协议）以及SNMP（简单网络管理协议）等。
wireshark抓到的包与对应的协议层如下图所示：
1. Frame: 物理层的数据帧概况
2. Ethernet II: 数据链路层以太网帧头部信息
3. Internet Protocol Version 4: 互联网层IP包头部信息
4. Transmission Control Protocol: 传输层的数据段头部信息，此处是TCP
5. Hypertext Transfer Protocol: 应用层的信息，此处是HTTP协议
二. TCP协议
TCP是一种面向连接（连接导向）的、可靠的基于字节流的传输层通信协议。TCP将用户数据打包成报文段，它发送后启动一个定时器，另一端收到的数据进行确认、对失序的数据重新排序、丢弃重复数据。
TCP的特点有：
1. TCP是面向连接的运输层协议
2. 每一条TCP连接只能有两个端点，每一条TCP连接只能是点对点的
3. TCP提供可靠交付的服务
4. TCP提供全双工通信。数据在两个方向上独立的进行传输。因此，连接的每一端必须保持每个方向上的传输数据序号。
5. 面向字节流。面向字节流的含义：虽然应用程序和TCP交互是一次一个数据块，但TCP把应用程序交下来的数据仅仅是一连串的无结构的字节流
TCP报文首部，如下图所示：
1. 源端口号：数据发起者的端口号，16bit
2. 目的端口号：数据接收者的端口号，16bit
3. 序号：32bit的序列号，由发送方使用
4. 确认序号：32bit的确认号，是接收数据方期望收到发送方的下一个报文段的序号，因此确认序号应当是上次已成功收到数据字节序号加1。
5. 首部长度：首部中32bit字的数目，可表示15*32bit=60字节的首部。一般首部长度为20字节。
6. 保留：6bit, 均为0
7. 紧急URG：当URG=1时，表示报文段中有紧急数据，应尽快传送。
8. 确认比特ACK：ACK = 1时代表这是一个确认的TCP包，取值0则不是确认包。
9. 推送比特PSH：当发送端PSH=1时，接收端尽快的交付给应用进程。
10. 复位比特（RST）：当RST=1时，表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，再重新建立连接。
11. 同步比特SYN：在建立连接是用来同步序号。SYN=1， ACK=0表示一个连接请求报文段。SYN=1，ACK=1表示同意建立连接。
12. 终止比特FIN：FIN=1时，表明此报文段的发送端的数据已经发送完毕，并要求释放传输连接。
13. 窗口：用来控制对方发送的数据量，通知发放已确定的发送窗口上限。
14. 检验和：该字段检验的范围包括首部和数据这两部分。由发端计算和存储，并由收端进行验证。
15. 紧急指针：紧急指针在URG=1时才有效，它指出本报文段中的紧急数据的字节数。
16. 选项：长度可变，最长可达40字节
wireshark捕获到的TCP包中的每个字段如下图所示：
三. TCP三次握手
TCP建立连接时，会有三次握手过程，如下图所示，wireshark截获到了三次握手的三个数据包。第四个包才是http的，说明http的确是使用TCP建立连接的。
下面来逐步分析三次握手过程：
第一次握手：客户端向服务器发送连接请求包，标志位SYN（同步序号）置为1，序号为X=0
第二次握手：服务器收到客户端发过来报文，由SYN=1知道客户端要求建立联机。向客户端发送一个SYN和ACK都置为1的TCP报文，设置初始序号Y=0，将确认序号(Acknowledgement Number)设置为客户的序列号加1，即X+1 = 0+1=1, 如下图：
第三次握手：客户端收到服务器发来的包后检查确认序号(Acknowledgement Number)是否正确，即第一次发送的序号加1（X+1=1）。以及标志位ACK是否为1。若正确，服务器再次发送确认包，ACK标志位为1，SYN标志位为0。确认序号(Acknowledgement Number)=Y+1=0+1=1，发送序号为X+1=1。客户端收到后确认序号值与ACK=1则连接建立成功，可以传送数据了。
四. TCP四次挥手
TCP断开连接时，会有四次挥手过程，如下图所示，wireshark截获到了四次挥手的四个数据包。
下面来逐步分析四次挥手过程：
第一次挥手：客户端给服务器发送TCP包，用来关闭客户端到服务器的数据传送。将标志位FIN和ACK置为1，序号为X=1，确认序号为Z=1。
服务器收到FIN后，发回一个ACK(标志位ACK=1),确认序号为收到的序号加1，即X=X+1=2。序号为收到的确认序号=Z。
服务器关闭与客户端的连接，发送一个FIN。标志位FIN和ACK置为1，序号为Y=1，确认序号为X=2。
客户端收到服务器发送的FIN之后，发回ACK确认(标志位ACK=1),确认序号为收到的序号加1，即Y+1=2。序号为收到的确认序号X=2。
转自 http://www.seanyxie.com/wireshark%E6%8A%93%E5%8C%85%E5%9B%BE%E8%A7%A3-tcp%E4%B8%89%E6%AC%A1%E6%8F%A1%E6%89%8B%E5%9B%9B%E6%AC%A1%E6%8C%A5%E6%89%8B%E8%AF%A6%E8%A7%A3/
建立TCP需要三次握手才能建立，而断开连接则需要四次握手。整个过程如下图所示：
先来看看如何建立连接的。
首先Client端发送连接请求报文，Server段接受连接后回复ACK报文，并为这次连接分配资源。Client端接收到ACK报文后也向Server段发生ACK报文，并分配资源，这样TCP连接就建立了。
那如何断开连接呢？简单的过程如下：
【注意】中断连接端可以是Client端，也可以是Server端。
假设Client端发起中断连接请求，也就是发送FIN报文。Server端接到FIN报文后，意思是说"我Client端没有数据要发给你了"，但是如果你还有数据没有发送完成，则不必急着关闭Socket，可以继续发送数据。所以你先发送ACK，"告诉Client端，你的请求我收到了，但是我还没准备好，请继续你等我的消息"。这个时候Client端就进入FIN_WAIT状态，继续等待Server端的FIN报文。当Server端确定数据已发送完成，则向Client端发送FIN报文，"告诉Client端，好了，我这边数据发完了，准备好关闭连接了"。Client端收到FIN报文后，"就知道可以关闭连接了，但是他还是不相信网络，怕Server端不知道要关闭，所以发送ACK后进入TIME_WAIT状态，如果Server端没有收到ACK则可以重传。“，Server端收到ACK后，"就知道可以断开连接了"。Client端等待了2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那好，我Client端也可以关闭连接了。Ok，TCP连接就这样关闭了！
整个过程Client端所经历的状态如下：
而Server端所经历的过程如下：转载请注明:blog.csdn.net/whuslei
【注意】 在TIME_WAIT状态中，如果TCP client端最后一次发送的ACK丢失了，它将重新发送。TIME_WAIT状态中所需要的时间是依赖于实现方法的。典型的值为30秒、1分钟和2分钟。等待之后连接正式关闭，并且所有的资源(包括端口号)都被释放。
【问题1】为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手？
答：因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，"你发的FIN报文我收到了"。只有等到我Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。
【问题2】为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态？
答：虽然按道理，四个报文都发送完毕，我们可以直接进入CLOSE状态了，但是我们必须假象网络是不可靠的，有可以最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。