计算机网络（十一）--听说过TCP三次握手吗

前文中，我们介绍了UDP的简易结构与功能特点。现在鸟枪换大炮，来看看传输层的重头戏–TCP协议。

TCP协议在数据传输前需要建立会话，以供全双工通信，并具有可靠传输、流量控制、拥塞避免的功能。

在这一节中，我们将介绍TCP报文的首部格式以及其三次握手、四次挥手（连接管理）。

一、TCP首部格式

1.源端口/目的端口：与UDP中相同，各占2字节

2.序号、确认号：各占4字节，与TCP面向字节流的特点相关，TCP将需要发送的数据存放在TCP缓存中，依次发送。序号即使本次报文发送的第一个字节号，确认号即是期待接收字节流的第一个字节号。

3.数据偏移：TCP报文段的数据部分距离TCP报文段的起始段偏移量，即首部长度，单位为4B，占6字节

4.保留位：占6字节

5.六个标志位，分别占1字节：

​ 1）URG：紧急标志位，UGG=1的报文段具有优先发送权

​ 2）ACK：确认标志位，ACK=1的报文段中，确认号才有意义，在连接建立后，所有报文的ACK=1

​ 3）*PSH：推送位

​ 4）*RST：复位，TCP连接出现严重差错时，释放连接，重新建立新连接

​ 5） SYN：同步位，SYN=1的报文段是一个连接请求\连接接受报文

​ 6）FIN：中止位，FIN=1表明报文段发送数据完毕，请求释放连接

6.窗口：告诉对方自己的接收窗口大小，便于进行流量控制

7.检验和：检验算法与UDP相同，只是伪首部中的协议字段是6，而非17

8.紧急指针：URG=1时，指出本报文段中紧急数据的字节数

9.选项：最大报文长度MSS、窗口扩大、时间戳、选择确认等

10.填充：由于选项部分大小不定，填充部分将TCP首部补齐4字节整数倍

二、TCP连接管理

​ 什么是连接管理？TCP是基于全双工的可靠传输，这一切的基础都建立在TCP在数据传输前需要建立连接之上。连接管理主要分为两部分，即建立连接的三次握手与释放连接的四次挥手。

1.三次握手

第一次握手：

​ 客户端向服务器发送SYN报文段，SYN=1，seq=x，客户端进入SYN-SENT状态

第二次握手：

​ 服务器端收到SYN报文段后，为TCP连接分配缓存和变量，返回一个SYN报文段，SYN=1,ACK=1,seq=y，ack=x+1，服务器进入SYN-RECD状态

第三次握手：

​ 客户端收到服务器发来的SYN报文后，为TCP连接分配缓存和变量，返回一个ACK报文，ACK=1，seq=x+1，ack=y+1，可携带数据，客户端连接建立成功，进入ESTABLISHED状态。

​ 服务器收到ACK报文后，连接建立成功，进入ESTABLISED状态。

2.四次挥手

第一次挥手：

​ 客户端发送一个FIN报文，请求关闭连接，FIN=1，seq=u，客户端进入FIN-WAIT-1状态

第二次挥手:

​ 服务器接收到FIN报文，返回一个ACK报文，ACK=1，seq=v，ack=u+1，客户端进入CLOSE-WAIT状态。

​ 此时，TCP连接处于半关闭状态–客户端不向服务器传输数据，但服务器仍可向客户端传送数据

第三次挥手:

​ 服务器向客户端发送FIN报文，FIN=1，ACK=1，seq=w，ack=u+1，客户端进入LAST-ACK状态

第四次挥手：

​ 客户端向服务器段发送ACK报文，ACK=1，seq=u+1，ack=w+1，等待2MSL后，进入CLOSED状态

​ 服务器收到ACK报文后，进入CLOSED状态

3.连接管理答疑

在程序员面试中，三次握手与四次挥手是面试官老生常谈的话题，在此列举一些常见的问题：

问：三次握手可以改成两次握手吗？

答：不可以，容易产生死锁问题。若连接建立只使用两次握手，那么服务器在接收到SYN报文后，会认为连接已经建立成功，同时返回确认报文以及应用数据。若此时该确认报文丢失，则客户端认为连接建立失败，将忽略服务器发来的所有报文，等待确认报文。而傻傻的服务器向客户端发送报文，却得不到客户端的确认报文，同样进入等待状态。两者互相等待，形成死锁。

问：为什么三次握手中最后客户端需要发送一次确认报文

答：为了避免已失效的连接请求突然发送至服务器，造成产生错误。

​ 现实中可能有这样一种情况：客户端给服务器发送的第一个SYN报文，由于网络原因，传输缓慢没有立即到达。于是客户端发送了第二个SYN报文，且迅速到达了服务器，成功建立连接，完成数据传输，连接释放。而后第一个迷路的SYN突然成功到达了服务器，服务器误以为客户端又一次发起了请求，便又建立了一次连接、传输数据等，这样便浪费了资源。
​ 而若有了第三次确认，即使已失效的第一个SYN报文导致服务器返回了SYN报文，但客户端不会对这个报文进行确认，双方不会建立第二次连接。

问：为什么握手是三次，而挥手是四次？
答：第二次握手相当于将第二次挥手和第三次挥手合并成一次，故省去了一次

问：为什么第四次挥手后要等待2MSL？

答第四次挥手的ACK报文可能丢失，接收不到ACK报文的服务器会重发第三次挥手的SYN报文，处于2MSL等待期间的客户端若收到了该重发的SYN报文，则会重发第四次挥手的ACK报文，若未收到，则认为第四次挥手报文成功到达，连接关闭。MSL通常设置为75s

问：建立连接后，客户端突然出现故障怎么办？
答：TCP设有一个保活计时器，客户端如果出现故障，服务器不会一直等待下去。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位该定时器，时间设置为2小时，若两小时内没收到客户端的数据，服务器便发送一个探测报文，并每隔75s发送一次。若连续10个探测报文都得不到回应，服务器判定客户端出现故障，直接关闭连接