TCP的三次握手和四次挥手

前言

在TCP/IP协议中，TCP提供可靠的连接服务，采用三次握手来建立一个连接。TCP是面向连接的协议，它提供可靠的报文传输和对上层应用的连接服务。为此，除了基本的数据传输外，它还有可靠性保证、流量控制、多路复用、优先权和安全性控制等功能。

TCP/IP协议简要说明

TCP/IP协议是根据OSI制定的标准实现，而TCP/IP协议一共分为四层：

1. 网络访问层：规范了主机必须使用某种协议与网络相连。
2. 互联网层：使主机可以把分组发往任何网络，并使分组独立地传向目标。
3. 传输层：在这一层定义了两个端到端的协议传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）和用户数据报协议（UDP，User Datagram Protocol）。
4. 应用层：包含所有的高层协议如HTTP和FTP
   

TCP报文格式

序列号seq：

占4个字节，用来标记数据段的顺序，TCP把连接中发送的所有数据字节都编上一个序号，第一个字节的编号由本地随机产生；给字节编上序号后，就给每一个报文段指派一个序号；序列号seq就是这个报文段中的第一个字节的数据编号。

确认号ack：

占4个字节，期待收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号；序列号表示报文段携带数据的第一个字节的编号；而确认号指的是期望接收到下一个字节的编号；因此当前报文段最后一个字节的编号+1即为确认号。

确认ACK：

占1位，仅当ACK=1时，确认号字段才有效。ACK=0时，确认号无效

同步SYN：

连接建立时用于同步序号。当SYN=1，ACK=0时表示：这是一个连接请求报文段。若同意连接，则在响应报文段中使得SYN=1，ACK=1。因此，SYN=1表示这是一个连接请求，或连接接受报文。SYN这个标志位只有在TCP建产连接时才会被置1，握手完成后SYN标志位被置0。

终止FIN：

用来释放一个连接。FIN=1表示：此报文段的发送方的数据已经发送完毕，并要求释放运输连接

ACK、SYN和FIN这些大写的单词表示标志位，其值要么是1，要么是0；ack、seq小写的单词表示序号。

三次握手

1. 第一次握手：建立连接时,客户端发送syn包(syn=j)到服务器,并进入SYN_SEND状态,等待服务器确认
2. 第二次握手：服务器收到syn包,必须确认客户的SYN（ack=j+1）,同时自己也发送一个SYN包（syn=k）,即SYN+ACK包,此时服务器进入SYN_RECV状态
3. 第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包,向服务器发送确认包ACK(ack=k+1),此包发送完毕,客户端和服务器进入ESTABLISHED状态,完成三次握手

三次握手详解

1. 第一次握手：首先Client发送一个新连接，也就是SYN=1，表示请求连接，随后在跟一个序号，这里表示为seq=x，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。
2. 第二次握手：Server端接收请求后，由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server如果确认和Client连接，那么就会发送SYN=1和ACK=1，因为TCP是双向连接，所以Server确认了Client的连接请求那么Client也需要确认Server的连接请求，这就是为什么Server要发送SYN=1的原因，ACK=1代表Server同意Client的连接请求，seq=x这是Server的序号，ack=x+1这个因为上面的第一次握手消耗掉了一次序号，所以这里需要加1。如果不懂，死背上面的图即可。
3. 第三次握手：当Clinent收到了Server这边的数据后，再次回应Server，ACK=1表示同意和Server进行连接，seq=x+1是来自第二次握手的ack讯号，最后一个ack=y+1的道理也是和第二次握手的道理一样，因为上次一握手消耗了一次序号，所以要加1.

四次挥手

1. 第一次挥手Client主动发送中断请求FIN=1,并且附带序号seq=u，随后Client进入Fin-Wait1等待状态。TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
2. 第二次挥手Server同意中断，ACK=1，附带序号seq=v，因为上一步消耗了掉了一次序号，所以ack=u+1，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。也就是半关闭状态
3. Client收到Server传过来的消息后，进入了Fin-Wait2等待状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。
4. 第三次挥手Server发送中断请求，即FIN=1，ACK=1,ack=u+1，还有自己的序号seq=w。此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
5. 第四次挥手Client发送确认报文，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。** 注意 ：此刻Client并没有立刻关闭，需要等待2MSL的时间。RFC 793中规定MSL为2分钟，实际应用中常用的是30秒，1分钟和2分钟等。**
6. 当Server只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。此刻TCP连接成功断开。

从上面可知,Server比Client端要断的更早

常见面试题（转载）

原文：https://blog.csdn.net/qq_38950316/article/details/81087809

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【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：采用两次握手，那么若Client向Server发起的包A1如果在传输链路上遇到的故障，导致传输到Server的时间相当滞后，在这个时间段由于Client没有收到Server的对于包A1的确认，那么就会重传一个包A2，假设服务器正常收到了A2的包，然后返回确认B2包。由于没有第三次握手，这个时候Client和Server已经建立连接了。再假设A1包随后在链路中传到了Server，这个时候Server又会返回B1包确认，但是由于Client已经清除了A1包，所以Client会丢弃掉这个确认包，但是Server会保持这个相当于“僵尸”的连接。
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。在Client发送出最后的ACK回复，但该ACK可能丢失。Server如果没有收到ACK，将不断重复发送FIN片段。所以Client不能立即关闭，它必须确认Server接收到了该ACK。Client会在发送出ACK之后进入到TIME_WAIT状态。Client会设置一个计时器，等待2MSL的时间。如果在该时间内再次收到FIN，那么Client会重发ACK并再次等待2MSL。所谓的2MSL是两倍的MSL(Maximum Segment Lifetime)。MSL指一个片段在网络中最大的存活时间，2MSL就是一个发送和一个回复所需的最大时间。如果直到2MSL，Client都没有再次收到FIN，那么Client推断ACK已经被成功接收，则结束TCP连接。

【问题3】为什么不能用两次握手进行连接？

答：3次握手完成两个重要的功能，既要双方做好发送数据的准备工作(双方都知道彼此已准备好)，也要允许双方就初始序列号进行协商，这个序列号在握手过程中被发送和确认。现在把三次握手改成仅需要两次握手，死锁是可能发生的。作为例子，考虑计算机S和C之间的通信，假定C给S发送一个连接请求分组，S收到了这个分组，并发 送了确认应答分组。按照两次握手的协定，S认为连接已经成功地建立了，可以开始发送数据分组。可是，C在S的应答分组在传输中被丢失的情况下，将不知道S 是否已准备好，不知道S建立什么样的序列号，C甚至怀疑S是否收到自己的连接请求分组。在这种情况下，C认为连接还未建立成功，将忽略S发来的任何数据分 组，只等待连接确认应答分组。而S在发出的分组超时后，重复发送同样的分组。这样就形成了死锁。

【问题4】如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？

TCP还设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75秒钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。