详解三次握手和四次挥手

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1. 三次握手

三次握手的过程和状态变迁

1. 刚开始，Client(客户端，下面简称 C)和 Server(服务端，下面简称 S)都处于 CLOSED 状态。S 开启服务，处于监听状态，LISTEN

2. C 发出第一个 SYN 报文，该报文不带数据，初始化了一个随机序列号(client_isn)，标记 SYN 为 1。发送后，C 处于 SYN-SENT

   

3. S 收到报文后，将 client_isn + 1 作为确认应答号，自己随机生成了一个序列号 server_isn，同时标记 SYN 和 ACK 为 1，传给 C 第二个报文，这个报文也不带数据。发送后，S 处于 SYN-RCVD

   

4. C 收到第二个报文后，将 server_isn + 1 作为确认应答号，标记 ACK 为 1，传给 S 第三个报文，这个报文可以带应用层数据。发送后，C 处于 ESTABLISHED，S 收到后也处于 ESTABLISHED，双方可以交换数据了。

为什么握手三次而不是两次、四次？

1. 阻止重复的历史连接被初始化（主要原因）
   如下图所示，假设出现旧的历史连接（比如网络拥塞产生）先于新的连接到达 S，S 基于旧的连接产生 server_isn。在三次握手的情况下，C 可以通过上下文比较判断这是一个历史连接，返回 RST 报文告诉 S 中止连接。如果两次握手，旧连接到达 S 后 S 返回报文，C 不进行第三次握手，就不足以产生足够的上下文判断这是否为历史连接，不能避免历史连接被初始化。
   
2. 同步双方初始序列号
   C 和 S 根据序列号来确定发送的顺序和完整性，所以同步序列号，保证可靠非常重要。因此，C 发出的 client_isn 被 S 接收，S 必须返回一个 ACK，同理，S 发出的 server_isn 被 C 接受，C 也必须返回一个 ACK。但由于第二次握手可以合并『确认 C 的序列号』和『发送 S 自身的序列号』两个动作，所以可以将 4 次略为 3 次。
   
3. 避免资源浪费
   和前面第 1 点提到的类似，如果遇到网络拥塞，C 发出的第一次握手没有被响应，就会触发超时重传，如果两次握手，那不仅重传的连接会被 S 分配资源建立连接，之前第 1 次发出的历史连接也会被分配资源建立连接，导致资源浪费。
   

小结：

• 不两次握手的原因：避免重复的历史连接被初始化，避免重传的连接导致资源浪费，避免序列号不同步。（类似的理解：避免已经失效的连接请求被服务器接收，产生错误。 ——谢希仁《计算机网络》）
• 不四次握手的原因：第二次握手将『确认应答客户端的序列号』和『发送服务器自身的序列号』两个动作合并，可以简化一步。是理论上最少的握手数，四次有冗余。

2. 四次挥手

四次挥手的过程和状态变迁

1. 开始 C 和 S 两者都处于 ESTABLISHED 状态。C 想要中止连接，发送了一个首部 FIN 标记为 1 的连接，进入 FIN_WAIT_1 状态。
2. S 收到报文后，发送一个 ACK 标记为 1 的报文，进入 CLOSED_WAIT 状态。
3. C 收到应答报文后，进入 FIN_WAIT_2 状态。S 处理完剩余的数据后，发送含 FIN 的报文，进入 LAST_ACK 状态。
4. C 收到 FIN 报文后，返回一个 ACK 报文，进入 TIME_WAIT状态。S 收到 ACK 报文后，关闭连接进入 CLOSED 状态。
5. C 等待 2MSL 后，关闭连接进入 CLOSED 状态。

为什么挥手四次而不是三次？

C 发送 FIN 关闭连接请求后，并非马上进入 CLOSED 状态，还在等待剩余数据。

而此时 S 得知 C 有关闭请求的意图后，发送完 ACK 报文，还得把剩余的数据发送完，然后发送 FIN 告诉 C 表示现在要关闭了。

所以，和三次握手不同，这里发送 S 发送 ACK 和发送 FIN 不能合并成一步。因为要等剩余数据发送完。

为什么 TIME_WAIT 要等 2MSL?

什么是 MSL？
Max Segment Lifetime（最大报文生存时间），和它类似的概念有 TTL（Time To Live），IP 协议头中的一个字段，表示报文能经过的最大路由数，每经过一个路由器减 1，当 TTL 为 0 时丢弃该数据报并发送 ICMP 报文给源主机。MSL 应该是大于等于使 TTL 为 0 所需要的时间。

C 在收到 S 的 FIN 报文后从 FIN_WAIT_2 转 TIME_WAIT，发送出去的 ACK 如果没有被 S 接收到，那 S 会再发一次带 FIN 的报文。所以，S 重发 FIN 报文给 C 最多花 MSL，C 再发 ACK 给 S 最多 MSL，因此只需等待 2MSL。C 收到 FIN 后就开始计时，另外如果在 TIME_WAIT 中收到重传的 FIN 报文，2MSL会被重置。

Linux 系统中默认 2MSL 为 60 second。

为什么需要 TIME_WAIT 状态？

1. 防止旧连接的数据包被相同端口的新连接接收，产生数据错乱。
2. 保证连接正确关闭。就算 C 的 ACK 丢失，S 也会重发 FIN。

TIME_WAIT 过多有什么危害？

一般是针对服务器发起的挥手。S 处于 TIME_WAIT。

此时，有两个问题：

1. 内存资源占用。
2. 端口占用。端口是有限资源，如果占用过多会无法创建新连接。

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参考文章

1. tcp为什么要三次握手，而不能二次握手_简与美-CSDN博客_tcp二次握手
2. 能将三次握手理解到这个深度，面试官拍案叫绝~
3. 浏览器输入网址，小手一点，后面到底发生了什么？
4. 硬不硬你说了算！近 40 张图解被问千百遍的 TCP 三次握手和四次挥手面试题