TCP为什么要经过三次握手和四次挥手？

1.为什么要进行三次握手？

大学时期的《计算机网络》一书中说道：

为了防止已经失效的连接请求报文段突然又传到服务端，因而产生错误。

客户端发送到服务端的连接请求报文，由于网络延迟，阻塞等原因，在连接已经释放后被服务端接收到，此时服务端往客户端发送报文表示建立连接。此时会产生2个问题：

1.建立很多无效的连接，浪费资源;

2.客户端收到来自服务端的报文后，还需要再次发送确认报文来建立连接。

1.1.先讲一下握手过程中的重要标志位

SYN(synchronous):在建立连接时用来同步序号。当SYN=1而ACK=0时，表明这是一个连接请求报文。对方若同意建立连接，则应在响应报文中使SYN=1和ACK=1。因此，SYN=1表示这是一个连接请求或者连接接受报文。
Seq(Sequence number)：初始化序列号。在TCP传输中，每一个字节都是有序号的，从0开始，通过序号的方式保存数据的顺序，接收端在接收到后进行重新排列成需要的数据。
ACK(Acknowledge number)：TCP协议规定，只有ACK=1时有效，也规定连接建立后所有发送的报文的ACK必须为1。
FIN(finish):结束，用来释放一个连接。当FIN=1时，表明此报文段发送方的数据已经发送完毕，并要求释放连接。

1.2 三次握手过程

三次握手过程

第一次握手：建立连接。客户端发送连接请求，将SYN置为1，Sequence Number = x。然后服务器进入SYN_SEND状态，等待服务器的确认。

第二次握手：服务器收到SYN报文段。收到客户端发送的报文段，需要对这个SYN进行确认，设置ACK(Acknowledgment Number) 为x + 1(Sequence Number+1)。同时，服务器发送SYN请求信息，SYN置为1，Sequence Number 为y，服务器端将上述所有信息放到一个报文段(ACK+SYN)中,一并发给客户端，此时服务器状态置为SYN_RECEV状态。

第三次握手:客户端收到服务器的SYN+ACK报文段。然后将Ack设置为y+1,向服务器发送ACK报文段，报文段发送完毕后，客户端和服务端都进入ESTABLISHED状态，完成TCP三次握手。

为什么是三次握手？

为什么是3次握手，2次或4次不好吗？那我们就从结果逆向推导，来证明2次太少，4次又没必要。

握手的本质，就是要建立连接，确保客户端和服务端的发送和接收能力都没有问题。客户端要确认发送端的接收和发送能力没有问题，服务端同样要确认客户端发送和接收能力没有问题。

第一次握手：客户端发送连接请求到服务端，服务端接收确认，服务端确定客户端发送能力ok;

第二次握手：服务端向客户端发送确认接受报文，客户端接收到服务端的SYN+ACK报文，确定服务端的接收和发送能力ok。那握手到此结束可以了吧？然而客户端并不能确定客户端的接收能力有没有问题。

第三次握手：客户端向服务端发送报文，服务端接收到报文后，确定客户端接收能力ok，连接建立成功。

这里补充两个知识点:

1.Seq和Ack的关系是怎样的？

Seq表示发送的这个包中的第一个字节的序号；Ack表示已成功接收到序号到Ack-1的数据，期望接收的下一个字节的序号为Ack。

举个栗子：

假如前面已经发送了100字节的数据，那么下一个发送的包中的Seq从101开始，比如这个包包含10字节，那么字节编号就是101-110.之后继续发送的话，序号从111开始。而接收端在接收这10个字节后，便返回一个Ack=111的包，表示已经接收到101-110序号的字节，期望下一个接收到的字节从111开始。

在握手过程中，Ack = Seq + 1,因为请求连接建立时发送了1字节请求数据。

2.TCP状态都有哪些？

LISTEN：监听来自其他主机的TCP端口的请求;
SYN_SEND: 发送连接请求后，等待确认连接请求；
SYN-RECEIVED：收到连接请求后，等待确认建立连接请求；
ESTABLISHED: 表示连接已经建立起来，可以进行数据传输了；
FIN_WAIT_1: 等待远程TCP连接中断请求或者先前的中断请求的确认；
FIN_WAIT_1：等待来自远程TCP连接的中断请求；
CLOSE_WAIT:该端点已经收到远程端点的终端请求，等待本地应用程序连接中断请求；
CLOSING:等待来自远程TCP的终止请求的确认;
LAST_ACK:等待之前发送到远程TCP的连接终止请求的确认;
TIME_WAIT:等待足够的时间确保远程TCP接收连接中断请求的确认；
CLOSED:没有任何连接状态;

2.四次挥手

2.1四次挥手过程

四次挥手

1.第一次挥手：主机1(可以是客户端，也可以是服务端),设置Seq和Ack,向主机2发送一个FIN报文段。此时主机1进入FIN_WAIT_1状态，表示主机1没有数据要发送给主机2了；

2.第二次挥手：主机2收到了主机1发送的FIN报文段，向主机1发送了一个Ack报文段，Ack = Seq + 1;主机1进入FIN_WAIT_2状态；主机2告诉主机1，我”同意“你的关闭请求：

3.第三次挥手：主机2向主机1发送FIN报文段，请求关闭连接，同时主机2进入LAST_ACK状态;

4.第四次挥手：主机1收到主机2发送的FIN报文段，向主机2发送Ack报文段，然后主机1进入TIME_WAIT状态；主机2收到主机1的Ack报文段以后，就关闭连接。主机1在等待2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已经正常关闭。然后，主机1也关闭连接。

四次挥手是因为TCP是全双工模式，接收到FIN时，意味着没有数据再发来，但是可以继续发送数据。

3.面试题问题重点

3.1 客户端发送ACK之后为什么不直接关闭，而是要等上一段时间才关闭？

原因是确保服务器是否已经收到了客户端发送的ACK报文，如果没有收到的话，服务端会重发FIN报文给客户端，客户端再次收到FIN报文，知道之前发送的ACK报文丢失了，然后再次发送ACK报文给服务端。

TIME_WAIT持续的时间至少是一个报文的来回时间。如果过了这个时间没有收到FIN报文，表示对方已经成功接收，并处于CLOSED状态。

3.2 三次握手的作用

1.确定双方的发送和接收能力正常。

2.指定自己的初始化序列号，为可靠通信做准备。

3.如果是https协议的话，三次握手过程，还会进行数字证书验证和会话密钥的生成。

3.3 Sequence Number是固定的吗？

三次握手的一个重要功能是客户端和服务端交换ISN(Initial Sequence Number),以便让对方知道接下来接收数据时如何按照序列号组装数据。如果Sequence Number是固定的，很容易让攻击者猜出后续的确认号，因此，Sequence Number是动态生成的。

3.4 什么是半连接队列？

服务器第一次收到SYN报文后，会处于SYN_RECEIVED状态，此时双方还没有完全建立连接，服务器会把此种状态下请求连接放在一个队列里，我们把这种队列称之为半连接队列。还有全连接队列，就是已经完成三次握手，建立起连接的就会放入全连接队列，如果队列满了，可能会出现丢包的现象。

3.5 服务端SYN-ACK重传机制

服务器在发送完SYN+ACK报文后，如果没有收到客户端的确认报，就会进行首次重传。如果等待一段时间后，仍然没有收到客户端的确认报，会进行第二次重传。如果重传次数超过系统规定的最大重传次数，则系统将该连接信息从半连接队列中删除。值得注意的是，每次重传等待时间一般呈指数级增长，2s,4s,8s,16s...