【计算机网络】——TCP三次握手和四次挥手

TCP连接的建立采用客户服务器方式，主要发起连接建立的应用进程叫做客户端，而被动等待连接建立的应用进程叫做服务端

三次握手
TCP建立连接的过程叫做握手，握手需要在客户端和服务器之间交换三个报文段。假设主机A运行的是TCP客户程序，而B运行TCP服务器程序。最初两端的TCP进程都处于CLOSED（关闭）状态。一开始，B的TCP服务器进程先创建传输控制块TCB，准备接收客户端的连接请求，然后服务器进程就处于LISTEN（收听）状态，等待客户端的连接请求，如有，即作出响应。A的TCP客户进程也是首先创建传输控制模块TCB，然后，在打算建立TCP连接时，向B发出连接请求报文段，这时首部中的同步位SYN=1，同时选择一个初始序号seq=x，这是第一次握手。B收到连接请求报文段后，如同意建立连接，则向A发送确认，在确认报文段中应把SYN位和ACK位都置1，确认号是ack=x+1，同时也为自己选择一个初始序号seq=y，这是第二次握手。TCP客户进程收到B的确认之后，还要向B给出确认，将确认报文段的ACK置1，确认号ack=y+1，而自己的序号seq=x+1，这是第三次握手。
TCP建立连接的过程叫做握手，握手需要在客户端和服务器之间交换三个报文段

假设主机A运行的是TCP客户程序，而B运行TCP服务器程序。最初两端的TCP进程都处于CLOSED（关闭）状态。
一开始，B的TCP服务器进程先创建传输控制块TCB，准备接收客户端的连接请求，然后服务器进程就处于LISTEN（收听）状态，等待客户的连接请求，如有，即作出响应。
A的TCP客户进程也是首先创建传输控制模块TCB，然后，在打算建立TCP连接时，向B发出连接请求报文段，这时首部中的同步位SYN=1，同时选择一个初始序号seq=x。TCP规定，SYN报文段（即SYN=1的报文段）不能携带数据，但要消耗一个序号，这时，TCP客户进程进入SYN-SENT（同步已发送）状态。
B收到连接请求报文段后，如同意建立连接，则向A发送确认，在确认报文段中应把SYN位和ACK位都置1，确认号是ack=x+1，同时也为自己选择一个初始序号seq=y。请注意，这个报文段也不能携带数据，但同样要消耗一个序号，这时TCP服务器进程进入SYN-RCVD（同步收到）状态。
TCP客户进程收到B的确认之后，还要向B给出确认，将确认报文段的ACK置1，确认号ack=y+1，而自己的序号seq=x+1。TCP的标准规定，ACK报文段可以携带数据，但如果不携带数据则不消耗序号，在这种情况下，下一个数据报文段的序号仍是seq=x+1。这时，TCP连接已建立，进入ESTABLISHED（已确认连接）状态。
当B收到A的确认之后，也进入ESTABLISHED状态。

传输控制块TCB存储了每一个连接中的一些重要信息，如：TCP连接表，指向发送和接收缓存的指针，指向重传队列的指针，当前的发送和接收序号等等。

为什么要第三次握手？
有两个原因：第一个是如果只有两次握手的话，有这样一种异常情况会发生，客户端A发出连接请求，但因为网络的原因，在网络节点长时间滞留了，A因为没有收到服务端的确认而再重传了一次请求，后来收到了确认，建立了连接，后来那个因网络延迟的请求也到达了B，B以为是新的连接请求，于是向A发出了确认，由于此时A并没有发出建立连接的请求，所以并不会理睬B的确认，也不会向B发送数据。但B以为建立了连接，一直在等待A发送数据，这样一来B的很多资源就被白白浪费了；第二个原因是要确保通信双方发送、接收都正常，第一次握手的时候，客户端什么都不能确认，接收端可以确认对方发送正常、自己接收正常，第二次握手的时候，客户端确认了自己发送、接收正常，对方发送、接收正常，第三次握手的时候服务端确认了自己发送、接收正常，对方发送、接收正常，这样三次握手就可以确认双方通信正常，缺一不可。

A最后为什么还要发送一次确认？
这主要是为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了B，因而产生错误。
所谓“已失效的连接请求报文段”是这样产生的，考虑一种正常情况，A发出连接请求，但因连接请求报文丢失而未收到确认。于是A再重传一次连接请求，后来收到了确认，建立了连接。数据传输完毕后，就释放了连接。A共发送了两个连接请求报文段，其中第一个丢失，第二个到达了B，没有“已失效的连接请求报文段”。
现假定出现一种异常情况，即A发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某些网络节点长时间滞留了，以致延误到连接释放以后的某个时间才到达B，本来这是一个早已失效的报文段，但B收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是A又发出一次新的连接请求，于是就向A发出确认报文段，同意建立连接。假定不采用报文握手，那么只要B发出确认，新的连接就建立了。
由于现在A并没有发出建立连接的请求，因此不会理睬B的确认，也不会向B发送数据。但B却认为新的传输连接已经建立了，并一直等待A发来数据，B的许多资源就这样被白白浪费了。
采用三次报文握手的方法，可以防止上述现象的发生，例如在刚才异常情况下，就知道A并没有要求建立连接。

为什么要三次握手？
三次握手的目的是建立可靠的通信信道，双方确认自己与对方的发送和接收是正常的。
第一次握手客户端什么都不能确认，服务端确认了对方发送正常，自己接收正常，确认不了自己发送和对方接收是否正常
第二次握手客户端确认了自己发送、接收正常，对方发送、接收正常
第三次握手服务端确认了自己发送、接收正常，对方发送、接收正常
所以三次握手就能确认双方收发功能都正常，缺一不可。

确认ACK
仅当ACK=1时确认号字段才有效，当ACK=0时，确认号无效。TCP规定，在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK置1
同步SYN
在连接建立时用来同步序号，当SYN=1而ACK=0时，表明这是一个连接请求报文段。对方若同意建立连接，则应在响应的报文段使SYN=1和ACK=1，因此SYN置为1就表示这是一个连接请求或连接接受报文
终止FIN
用来释放一个连接，当FIN=1时，表明此报文段的发送方的数据已发送完毕，并要求释放传输连接

四次挥手
当数据传输结束后，通信的双方都可以释放连接。假如A的应用进程先向其TCP发出连接释放报文段，并停止发送数据，主动关闭TCP连接，A把连接释放报文的首部的终止控制位FIN置1，其序号seq=u，等待B的确认；B收到连接释放报文段后立即发出确认，确认号是ack=u+1，而这个报文段自己的序号是v，等于B前面已传送过的数据的最后一个字节的序号加1，然后B就进入CLOSE-WAIT（关闭等待）阶段。A收到来自B的确认之后，等待B发出的连接释放报文段。若B已经没有要向A发送的数据，其应用进程就通知TCP释放连接，B发送的连接释放报文必须将FIN位置为1，还需要重复上次已发送的确认号ack=u+1，而自己的序号是seq=w，这时候B就进入了最后确认阶段，等待A的确认。A在收到B的连接释放报文段后，在确认报文段中把ACK置为1，确认号ack=w+1，而自己的序号是seq=u+1，然后进入到TIME-WAIT（时间等待）状态，现在TCP连接还没有释放掉，必须经过时间等待计时器设置的时间2MSL（最长报文段寿命）后，A才进入到CLOSED状态，才能开始建立下一个新的连接。当A撤销相应的传输控制块TCB后，就结束了这次的TCP连接。
数据传输结束后，通信的双方都可释放连接。现在A和B都处于ESTABLISHED状态。A的应用进程先向其TCP发出连接释放报文段，并停止再发送数据，主动关闭TCP连接，A把连接释放报文的首部的终止控制位置1，其序号seq=u，它等于前面已传送过的数据的最后一个字节的序号加1，这时A进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态，等待B的确认，请注意，TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，它也消耗掉一个序号。
B收到连接释放报文段后立即发出确认，确认号是ack=u+1，而这个报文段自己的序号是v，等于B前面已传送过的数据的最后一个字节的序号加1，然后B就进入CLOSE-WAIT（关闭等待）阶段。TCP服务器进程这时应通知高层应用进程，因而从A到B这个方向的连接就释放了，这时TCP连接处于半关闭（half-close）状态，即A已经没有数据要发送了，但B若发送数据，A仍要接收，也就是说，从B到A这个方向的连接并未关闭，这个状态可能会持续一段时间。
A收到来自B的确认后，就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待B发出的连接释放报文段。
若B已经没有要向A发送的数据，其应用进程就通知TCP释放连接。这时B发出的连接释放报文段必须使FIN=1，现假定B的序号为w（在半关闭状态B可能又发送了一些数据），B还必须重复上次已发送过的确认号ack=u+1。这时B就进入LAST-ACK（最后确认）状态，等待A的确认，A在收到B的连接释放报文段后，必须对此发出确认。在确认报文段中把ACK置为1，确认号ack=w+1，而自己的序号是seq=u+1（根据TCP标准，前面发送过的FIN报文段要消耗一个序号），然后进入到TIME-WAIT（时间等待）状态，请注意，现在TCP连接还没有释放掉，必须经过时间等待计时器设置的时间2MSL（最长报文段寿命）后，A才进入到CLOSED状态，才能开始建立下一个新的连接。当A撤销相应的传输控制块TCB后，就结束了这次的TCP连接。

为什么A在TIME-WAIT状态必须等待2MSL的时间呢？
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，因而处在LAST-ACK状态的B收不到已发送的FIN+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FIN+ACK报文。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“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，就进入了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，B结束TCP连接的时间要比A早一些。