详解TCP三次握手四次挥手

详解TCP三次握手四次挥手

1.TCP报文格式

在了解三次握手和四次挥手之前，先知道TCP报文内部包含了哪些东西。

• TCP报头中的源端口号和目的端口号同IP数据报中的源IP与目的IP唯一确定一条TCP连接。TCP在发送数据前必须在彼此间建立连接，这里连接意思是：双方需要内保存对方信息（例如：IP，Port…）

• 报文主要段的意思

  序号：表示发送的数据字节流，确保TCP传输有序，对每个字节编号

  确认序号：发送方期待接收的下一序列号，接收成功后的数据字节序列号加 1。只有ACK=1时才有效。

  ACK：确认序号的标志，ACK=1表示确认号有效，ACK=0表示报文不含确认序号信息
  SYN：连接请求序号标志，用于建立连接，SYN=1表示请求连接
  FIN：结束标志，用于释放连接，为1表示关闭本方数据流

2.TCP连接需要解决的问题

TCP是面向连接的协议，传输连接是用来传送tcp报文的，传输连接有三个阶段，即：连接建立，数据传送和连接释放。

tcp连接的建立需要解决如下三个问题：

• 要使每一方确知对方的存在。
• 允许双方协商一些参数（如最大窗口值，是否使用窗口扩大选项和时间戳选项等）
• 能够对运输实体资源（如缓存大小）进行分配。

3.三次握手

建立TCP连接时，需要客户端和服务器共发送3个包。

• 第一次：客户端尝试连接服务器，向服务器发送 syn 包（同步序列编号Synchronize Sequence Numbers），syn=j，客户端进入 SYN_SEND 状态等待服务器确认

• 第二次：服务器接收客户端syn包并确认（ack=j+1），同时向客户端发送一个 SYN包（syn=k），即 SYN+ACK 包，此时服务器进入 SYN_RECV 状态

• 第三次：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

一张图简单理解三次握手的过程：

三次握手过程分析：

• 第一次：==客户端发送请求到服务器，服务器知道客户端发送，自己接收正常。==SYN=1,seq=x
• 第二次：==服务器发给客户端，客户端知道自己发送、接收正常，服务器接收、发送正常。==ACK=1,ack=x+1,SYN=1,seq=y
• 第三次：客户端发给服务器：服务器知道客户端发送，接收正常，自己接收，发送也正常.seq=x+1,ACK=1,ack=y+1

上面分析过程可以看出，握手两次达不到让双方都得出自己、对方的接收、发送能力都正常的结论的。

4.四次挥手

四次挥手过程

• 第一次挥手：客户端发出释放FIN=1，自己序列号seq=u，进入FIN-WAIT-1状态
• 第二次挥手：服务器收到客户端的后，发出ACK=1确认标志和客户端的确认号ack=u+1，自己的序列号seq=v，进入CLOSE-WAIT状态
• 第三次挥手：客户端收到服务器确认结果后，进入FIN-WAIT-2状态。此时服务器发送释放FIN=1信号，确认标志ACK=1，确认序号ack=u+1，自己序号seq=w，服务器进入LAST-ACK（最后确认态）
• 第四次挥手：客户端收到回复后，发送确认ACK=1，ack=w+1，自己的seq=u+1，客户端进入TIME-WAIT（时间等待）。客户端经过2个最长报文段寿命后，客户端CLOSE；服务器收到确认后，立刻进入CLOSE状态。

四次挥手过程分析：

• 第一次：客户端请求断开FIN,seq=u
• 第二次：服务器确认客户端的断开请求ACK,ack=u+1,seq=v
• 第三次：服务器请求断开FIN,seq=w,ACK,ack=u+1
• 第四次：客户端确认服务器的断开ACK,ack=w+1,seq=u+1

四次挥手过程理解：
1.客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）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.服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
3.客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）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.服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为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.客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，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。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
6.服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

5.一些补充问题

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？

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。

2.四次挥手过程中为什么等待2msl？

1.为了保证A发送的最后一个ACK报文段能够到达B。这个ACK报文段有可能丢失，因而使处在 LAST-ACK状态的B收不到对已发送的FN+ACK报文段的确认。B会超时重传这个FIN+ACK报文段，而A就能在2MSL时间内收到这个重传的FN+ACK报文段。接着A重传一次确认，重新启动2MSL计时器。最后，A和B都正常进入到CLOSED状态。如果A在 TIME-WAIT状态不等待一段时间，而是在发送完ACK报文段后
立即释放连接，那么就无法收到B重传的FIN+ACK报文段，因而也不会再发送一次确认报文段。这样，B就无法按照正常步骤进入 CLOSED状态。

2.防止之前提到的“已失效的连接请求报文段”出现在本连接中。A在发送完最后一个ACK报文段后，再经过时间2MSL，就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。这样就可以使下一个新的连接中不会出现这种旧的连接请求报文段B只要收到了A发出的确认，就进入 CLOSED状态。同样，B在撤销相应的传输控制块TCB后，就结束了这次的TCP连接。我们注意到，B结束TCP连接的时间要比A早
些。

3.为什么不能用两次握手进行连接？

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。

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。