三次握手与四次挥手详解
文章目录
- 三次握手
-
- 三次握手的过程
- 各个状态的含义
- 为什么是三次握手？不是两次、四次？
- 第一次握手丢失了，会发生什么？
- 第二次握手丢失了，会发生什么？
- 第三次握手丢失了，会发生什么？
- 四次挥手
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- 各个状态的含义
- 为什么挥手需要四次？
- 四次挥手可以变成三次挥手吗？
- 第一次挥手丢失了，会发生什么？
- 第二次挥手丢失了，会发生什么？
- 第三次挥手丢失了，会发生什么？
- 第四次挥手丢失了，会发生什么？
- 总结
此篇文章大部分是从小林coding提取而来，用于自己复习所用，若想要深入学习，可进入原链接自行学习，TCP 三次握手与四次挥手面试题
三次握手
三次握手的过程
- 一开始，客户端和服务端都处于 CLOSE 状态。先是服务端主动监听某个端口，处于 LISTEN 状态
- 客户端会随机初始化序号（client_isn），将此序号置于 TCP 首部的「序号」字段中，同时把 SYN 标志位置为 1，表示 SYN 报文。接着把第一个 SYN 报文发送给服务端，表示向服务端发起连接，该报文不包含应用层数据，之后客户端处于 SYN-SENT 状态。
- 服务端收到客户端的 SYN 报文后，首先服务端也随机初始化自己的序号（server_isn），将此序号填入 TCP 首部的「序号」字段中，其次把 TCP 首部的「确认应答号」字段填入 client_isn + 1, 接着把 SYN 和 ACK 标志位置为 1。最后把该报文发给客户端，该报文也不包含应用层数据，之后服务端处于 SYN-RCVD 状态。
- 客户端收到服务端报文后，还要向服务端回应最后一个应答报文，首先该应答报文 TCP 首部 ACK 标志位置为 1 ，其次「确认应答号」字段填入 server_isn + 1 ，最后把报文发送给服务端，这次报文可以携带客户到服务端的数据，之后客户端处于 ESTABLISHED 状态。
- 服务端收到客户端的应答报文后，也进入 ESTABLISHED 状态。
从上面的过程可以发现第三次握手是可以携带数据的，前两次握手是不可以携带数据的。
一旦完成三次握手，双方都处于 ESTABLISHED 状态，此时连接就已建立完成，客户端和服务端就可以相互发送数据了。
各个状态的含义
- LISTEN - 侦听来⾃远⽅TCP端⼝的连接请求；
- SYN-SENT -在发送连接请求后等待匹配的连接请求；
- SYN-RECEIVED - 在收到和发送⼀个连接请求后等待对连接请求的确认；
- ESTABLISHED- 代表⼀个打开的连接，数据可以传送给⽤户；
- CLOSE - 没有任何连接状态；
为什么是三次握手？不是两次、四次？
在谢希仁著《计算机网络》第四版中讲“三次握手”的目的是“为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端，因而产生错误”。在另一部经典的《计算机网络》一书中讲“三次握手”的目的是为了解决“网络中存在延迟的重复分组”的问题。这两种不用的表述其实阐明的是同一个问题。谢希仁版《计算机网络》中的例子是这样的，“已失效的连接请求报文段”的产生在这样一种情况下：client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某个网络结点长时间的滞留了，以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。本来这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。于是就向client发出确认报文段，同意建立连接。假设不采用“三次握手”，那么只要server发出确认，新的连接就建立了。由于现在client并没有发出建立连接的请求，因此不会理睬server的确认，也不会向server发送数据。但server却以为新的运输连接已经建立，并一直等待client发来数据。这样，server的很多资源就白白浪费掉了。采用“三次握手”的办法可以防止上述现象发生。例如刚才那种情况，client不会向server的确认发出确认。server由于收不到确认，就知道client并没有要求建立连接。”这个例子很清晰的阐释了“三次握手”对于建立可靠连接的意义。
1. 避免已失效的连接请求报文段发生错误
在网络中，经常会出现一些网络延迟或者拥塞等问题，从而导致一些数据包的丢失或者超时，如果TCP协议在建立连接的过程中只使用两次握手，那么就可能会出现这样一种情况：客户端向服务器发送了一个连接请求报文，但是由于网络原因导致该报文丢失了，客户端并没有收到来自服务器的响应。此时，客户端并不知道自己的请求已经被服务器接收了，而服务器也会认为客户端的请求未被处理，从而等待客户端的另外一个请求报文，导致连接不能够正常建立。
2. 确保双方的接收能力和发送能力都正常
握手的过程中，三次握手可以确保双方的接收和发送能力都正常。在第一次握手时，客户端向服务器发送一个SYN报文，该报文中包含了客户端初始化序列号的信息，表示客户端打算发送数据到服务器。当服务器收到了该SYN报文后，会返回一个ACK报文作为确认，该ACK报文中包含了服务器的初始化序列号以及对客户端SYN报文的确认。在第三次握手中，客户端再次向服务器发送一个ACK报文，表示客户端也能够接收到服务器的SYN报文。通过这个过程，双方可以确认彼此的接收和发送能力都是正常的。
3. 防止客户端重复连接请求造成混乱
在TCP协议中，每个连接都需要唯一的标识符才能建立。如果只进行两次握手，那么就可能会出现这样一种情况：客户端发送了一个连接请求，但是该请求在网络中被延迟了一段时间，然后又重复发送了一遍。当服务器接收到了这两个连接请求时，就无法判断哪一个才是有效的连接请求，从而导致连接建立混乱。
因此，从上述几个方面来看，TCP协议选用三次握手是必要的。通过三次握手的过程，可以确保连接请求的正确性和可靠性，而且还可以防止重复连接请求的问题。相比之下，如果TCP协议采用两次握手的话，就会存在以上三个问题，也就无法保证通信的可靠性和稳定性。
第一次握手丢失了，会发生什么？
当客户端想和服务端建立 TCP 连接的时候，首先第一个发的就是 SYN 报文，然后进入到 SYN_SENT 状态。
在这之后，如果客户端迟迟收不到服务端的 SYN-ACK 报文（第二次握手），就会触发「超时重传」机制，重传 SYN 报文，而且重传的 SYN 报文的序列号都是一样的。
不同版本的操作系统可能超时时间不同，有的 1 秒的，也有 3 秒的，这个超时时间是写死在内核里的，如果想要更改则需要重新编译内核，比较麻烦。
当客户端在 1 秒后没收到服务端的 SYN-ACK 报文后，客户端就会重发 SYN 报文，那到底重发几次呢？
在 Linux 里，客户端的 SYN 报文最大重传次数由 tcp_syn_retries内核参数控制，这个参数是可以自定义的，默认值一般是 5。
通常，第一次超时重传是在 1 秒后，第二次超时重传是在 2 秒，第三次超时重传是在 4 秒后，第四次超时重传是在 8 秒后，第五次是在超时重传 16 秒后。没错，每次超时的时间是上一次的 2 倍。
当第五次超时重传后，会继续等待 32 秒，如果服务端仍然没有回应 ACK，客户端就不再发送 SYN 包，然后断开 TCP 连接。
所以，总耗时是 1+2+4+8+16+32=63 秒，大约 1 分钟左右。
举个例子，假设 tcp_syn_retries 参数值为 3，那么当客户端的 SYN 报文一直在网络中丢失时，会发生下图的过程：
具体过程：
当客户端超时重传 3 次 SYN 报文后，由于 tcp_syn_retries 为 3，已达到最大重传次数，于是再等待一段时间（时间为上一次超时时间的 2 倍），如果还是没能收到服务端的第二次握手（SYN-ACK 报文），那么客户端就会断开连接。
第二次握手丢失了，会发生什么？
当服务端收到客户端的第一次握手后，就会回 SYN-ACK 报文给客户端，这个就是第二次握手，此时服务端会进入 SYN_RCVD 状态。
第二次握手的 SYN-ACK 报文其实有两个目的 ：
- 第二次握手里的 ACK， 是对第一次握手的确认报文；
- 第二次握手里的 SYN，是服务端发起建立 TCP 连接的报文；
所以，如果第二次握手丢了，就会发生比较有意思的事情，具体会怎么样呢？
因为第二次握手报文里是包含对客户端的第一次握手的 ACK 确认报文，所以，如果客户端迟迟没有收到第二次握手，那么客户端就觉得可能自己的 SYN 报文（第一次握手）丢失了，于是客户端就会触发超时重传机制，重传 SYN 报文。
然后，因为第二次握手中包含服务端的 SYN 报文，所以当客户端收到后，需要给服务端发送 ACK 确认报文（第三次握手），服务端才会认为该 SYN 报文被客户端收到了。
那么，如果第二次握手丢失了，服务端就收不到第三次握手，于是服务端这边会触发超时重传机制，重传 SYN-ACK 报文。
在 Linux 下，SYN-ACK 报文的最大重传次数由 tcp_synack_retries内核参数决定，默认值是 5。
因此，当第二次握手丢失了，客户端和服务端都会重传：
- 客户端会重传 SYN 报文，也就是第一次握手，最大重传次数由 tcp_syn_retries内核参数决定；
- 服务端会重传 SYN-ACK 报文，也就是第二次握手，最大重传次数由 tcp_synack_retries 内核参数决定。
举个例子，假设 tcp_syn_retries 参数值为 1，tcp_synack_retries 参数值为 2，那么当第二次握手一直丢失时，发生的过程如下图：
具体过程：
- 当客户端超时重传 1 次 SYN 报文后，由于 tcp_syn_retries 为 1，已达到最大重传次数，于是再等待一段时间（时间为上一次超时时间的 2 倍），如果还是没能收到服务端的第二次握手（SYN-ACK 报文），那么客户端就会断开连接。
- 当服务端超时重传 2 次 SYN-ACK 报文后，由于 tcp_synack_retries 为 2，已达到最大重传次数，于是再等待一段时间（时间为上一次超时时间的 2 倍），如果还是没能收到客户端的第三次握手（ACK 报文），那么服务端就会断开连接。
第三次握手丢失了，会发生什么？
客户端收到服务端的 SYN-ACK 报文后，就会给服务端回一个 ACK 报文，也就是第三次握手，此时客户端状态进入到 ESTABLISH 状态。
因为这个第三次握手的 ACK 是对第二次握手的 SYN 的确认报文，所以当第三次握手丢失了，如果服务端那一方迟迟收不到这个确认报文，就会触发超时重传机制，重传 SYN-ACK 报文，直到收到第三次握手，或者达到最大重传次数。
注意，ACK 报文是不会有重传的，当 ACK 丢失了，就由对方重传对应的报文。
举个例子，假设 tcp_synack_retries 参数值为 2，那么当第三次握手一直丢失时，发生的过程如下图：
具体过程：
- 当服务端超时重传 2 次 SYN-ACK 报文后，由于 tcp_synack_retries 为 2，已达到最大重传次数，于是再等待一段时间（时间为上一次超时时间的 2 倍），如果还是没能收到客户端的第三次握手（ACK 报文），那么服务端就会断开连接。
四次挥手
双方都可以主动断开连接，断开连接后主机中的「资源」将被释放，四次挥手的过程如下图：
- 客户端打算关闭连接，此时会发送一个 TCP 首部 FIN 标志位被置为 1 的报文，也即 FIN 报文，之后客户端进入 FIN_WAIT_1 状态。
- 服务端收到该报文后，就向客户端发送 ACK 应答报文，接着服务端进入 CLOSE_WAIT 状态。
- 客户端收到服务端的 ACK 应答报文后，之后进入 FIN_WAIT_2 状态。
- 等待服务端处理完数据后，也向客户端发送 FIN 报文，之后服务端进入 LAST_ACK 状态。
- 客户端收到服务端的 FIN 报文后，回一个 ACK 应答报文，之后进入 TIME_WAIT 状态
- 服务端收到了 ACK 应答报文后，就进入了 CLOSE 状态，至此服务端已经完成连接的关闭。
- 客户端在经过 2MSL 一段时间后，自动进入 CLOSE 状态，至此客户端也完成连接的关闭。
- 你可以看到，每个方向都需要一个 FIN 和一个 ACK，因此通常被称为四次挥手。
这里一点需要注意是：主动关闭连接的，才有 TIME_WAIT 状态。
各个状态的含义
- ESTABLISHED- 代表⼀个打开的连接，数据可以传送给⽤户；
- FIN-WAIT-1 - 等待远程TCP的连接中断请求，或先前的连接中断请求的确认；
- FIN-WAIT-2 - 从远程TCP等待连接中断请求；
- CLOSE-WAIT - 等待从本地⽤户发来的连接中断请求；
- LAST-ACK - 等待原来发向远程TCP的连接中断请求的确认；
- TIME-WAIT -等待⾜够的时间以确保远程TCP接收到连接中断请求的确认；
- CLOSE - 没有任何连接状态；
为什么挥手需要四次？
再来回顾下四次挥手双方发 FIN 包的过程，就能理解为什么需要四次了。
- 关闭连接时，客户端向服务端发送 FIN 时，仅仅表示客户端不再发送数据了但是还能接收数据。
- 服务端收到客户端的 FIN 报文时，先回一个 ACK 应答报文，而服务端可能还有数据需要处理和发送，等服务端不再发送数据时，才发送 FIN 报文给客户端来表示同意现在关闭连接。
从上面过程可知，服务端通常需要等待完成数据的发送和处理，所以服务端的 ACK 和 FIN 一般都会分开发送，因此是需要四次挥手。
四次挥手可以变成三次挥手吗？
四次挥手把同意对方请求跟自身请求分离开。是因为在客户端请求断开时（客户端发送端->服务器接收端），服务器可能还有数据未发完，所以需要分开操作：
- 先同意对方关闭连接，对方无法传输数据；（第二次挥手）
- 自己若还有数据未发送完，接着发送直至全部发送完毕；
- 请求自身关闭连接；（第三次挥手）
- 也就是说，三次握手、四次挥手差别就在第二次，有没有把同意对方请求跟自身请求拆分开。
如果客户端请求关闭连接时，服务器并没有数据需要发送，其实三次挥手应该也是可以的。但一般情况下，客户端猝不及防地请求断开连接，服务器还是有数据需要传输的，所以四次挥手更加地稳妥。
第一次挥手丢失了，会发生什么？
当客户端（主动关闭方）调用 close 函数后，就会向服务端发送 FIN 报文，试图与服务端断开连接，此时客户端的连接进入到 FIN_WAIT_1 状态。
正常情况下，如果能及时收到服务端（被动关闭方）的 ACK，则会很快变为 FIN_WAIT2状态。
如果第一次挥手丢失了，那么客户端迟迟收不到被动方的 ACK 的话，也就会触发超时重传机制，重传 FIN 报文，重发次数由 tcp_orphan_retries 参数控制。
当客户端重传 FIN 报文的次数超过 tcp_orphan_retries 后，就不再发送 FIN 报文，则会在等待一段时间（时间为上一次超时时间的 2 倍），如果还是没能收到第二次挥手，那么直接进入到 close 状态。
举个例子，假设 tcp_orphan_retries 参数值为 3，当第一次挥手一直丢失时，发生的过程如下图：
具体过程：
- 当客户端超时重传 3 次 FIN 报文后，由于 tcp_orphan_retries 为 3，已达到最大重传次数，于是再等待一段时间（时间为上一次超时时间的 2 倍），如果还是没能收到服务端的第二次挥手（ACK报文），那么客户端就会断开连接。
第二次挥手丢失了，会发生什么？
当服务端收到客户端的第一次挥手后，就会先回一个 ACK 确认报文，此时服务端的连接进入到 CLOSE_WAIT 状态。
在前面我们也提了，ACK 报文是不会重传的，所以如果服务端的第二次挥手丢失了，客户端就会触发超时重传机制，重传 FIN 报文，直到收到服务端的第二次挥手，或者达到最大的重传次数。
举个例子，假设 tcp_orphan_retries 参数值为 2，当第二次挥手一直丢失时，发生的过程如下图：
具体过程：
- 当客户端超时重传 2 次 FIN 报文后，由于 tcp_orphan_retries 为 2，已达到最大重传次数，于是再等待一段时间（时间为上一次超时时间的 2 倍），如果还是没能收到服务端的第二次挥手（ACK 报文），那么客户端就会断开连接。
- 这里提一下，当客户端收到第二次挥手，也就是收到服务端发送的 ACK 报文后，客户端就会处于 FIN_WAIT2 状态，在这个状态需要等服务端发送第三次挥手，也就是服务端的 FIN 报文。
对于 close 函数关闭的连接，由于无法再发送和接收数据，所以FIN_WAIT2 状态不可以持续太久，而 tcp_fin_timeout 控制了这个状态下连接的持续时长，默认值是 60 秒。
这意味着对于调用 close 关闭的连接，如果在 60 秒后还没有收到 FIN 报文，客户端（主动关闭方）的连接就会直接关闭，如下图：
但是注意，如果主动关闭方使用 shutdown 函数关闭连接，指定了只关闭发送方向，而接收方向并没有关闭，那么意味着主动关闭方还是可以接收数据的。
此时，如果主动关闭方一直没收到第三次挥手，那么主动关闭方的连接将会一直处于 FIN_WAIT2 状态（tcp_fin_timeout 无法控制 shutdown 关闭的连接）。如下图：
第三次挥手丢失了，会发生什么？
当服务端（被动关闭方）收到客户端（主动关闭方）的 FIN 报文后，内核会自动回复 ACK，同时连接处于 CLOSE_WAIT 状态，顾名思义，它表示等待应用进程调用 close 函数关闭连接。
此时，内核是没有权利替代进程关闭连接，必须由进程主动调用 close 函数来触发服务端发送 FIN 报文。
服务端处于 CLOSE_WAIT 状态时，调用了 close 函数，内核就会发出 FIN 报文，同时连接进入 LAST_ACK 状态，等待客户端返回 ACK 来确认连接关闭。
如果迟迟收不到这个 ACK，服务端就会重发 FIN 报文，重发次数仍然由 tcp_orphan_retries 参数控制，这与客户端重发 FIN 报文的重传次数控制方式是一样的。
举个例子，假设 tcp_orphan_retries = 3，当第三次挥手一直丢失时，发生的过程如下图：
具体过程：
- 当服务端重传第三次挥手报文的次数达到了 3 次后，
由于tcp_orphan_retries 为 3，达到了重传最大次数，于是再等待一段时间（时间为上一次超时时间的 2 倍），如果还是没能收到客户端的第四次挥手（ACK报文），那么服务端就会断开连接。 - 客户端因为是通过 close 函数关闭连接的，处于 FIN_WAIT_2 状态是有时长限制的，如果 tcp_fin_timeout 时间内还是没能收到服务端的第三次挥手（FIN 报文），那么客户端就会断开连接。
第四次挥手丢失了，会发生什么？
当客户端收到服务端的第三次挥手的 FIN 报文后，就会回 ACK 报文，也就是第四次挥手，此时客户端连接进入 TIME_WAIT 状态。
在 Linux 系统，TIME_WAIT 状态会持续 2MSL 后才会进入关闭状态。
然后，服务端（被动关闭方）没有收到 ACK 报文前，还是处于 LAST_ACK 状态。
如果第四次挥手的 ACK 报文没有到达服务端，服务端就会重发 FIN 报文，重发次数仍然由前面介绍过的 tcp_orphan_retries 参数控制。
举个例子，假设 tcp_orphan_retries 为 2，当第四次挥手一直丢失时，发生的过程如下：
具体过程：
- 当服务端重传第三次挥手报文达到 2 时，由于 tcp_orphan_retries 为 2， 达到了最大重传次数，于是再等待一段时间（时间为上一次超时时间的 2 倍），如果还是没能收到客户端的第四次挥手（ACK 报文），那么服务端就会断开连接。
- 客户端在收到第三次挥手后，就会进入 TIME_WAIT 状态，开启时长为 2MSL 的定时器，如果途中再次收到第三次挥手（FIN 报文）后，就会重置定时器，当等待 2MSL 时长后，客户端就会断开连接。
总结
TCP/IP 协议是传输层的一个面向连接的安全可靠的一个传输协议，三次握手的机制是为了保证能建立一个安全可靠的连接，那么第一次握手是由客户端发起，客户端会向服务端发送一个报文，在报文里面：SYN标志位置为1，表示发起新的连接。当服务端收到这个报文之后就知道客户端要和我建立一个新的连接，于是服务端就向客户端发送一个确认消息包，在这个消息包里面：ack标志位置为1，表示确认客户端发起的第一次连接请求。以上两次握手之后，对于客户端而言：已经明确了我既能给服务端成功发消息，也能成功收到服务端的响应。但是对于服务端而言：两次握手是不够的，因为到目前为止，服务端只知道一件事，客户端发给我的消息我能收到，但是我响应给客户端的消息，客户端能不能收到我是不知道的。所以，还需要进行第三次握手，第三次握手就是当客户端收到服务端发送的确认响应报文之后，还要继续去给服务端进行回应，也是一个ack标志位置1的确认消息。通过以上三次连接，不管是客户端还是服务端，都知道我既能给对方发送消息，也能收到对方的响应。那么，这个连接就被安全的建了。
四次挥手手机制也是由客户端去发起，客户端会发送一个报文，在报文里面FIN位标志位置一，当服务端收到这个报文之后，我就知道了客户端想要和我断开连接，但是此时服务端不一定能做好准备，因为当客户端发起断开连接的这个消息的时候，对于服务端而言，他和还有可能有未发送完的消息，他还要继续发送，所以呢，此时对于服务端而言，我只能进行一个消息确认，就是我先告诉服务端，我知道你要给我断开连接了，但是我这里边还可能没有做好准备，你需要等我一下，等会儿我会告诉你，于是呢，发完这个消息确认包之后，可能稍过片刻它就会继续发送一个断开连接的一个报文啊，也是一个FIN位置1的报文也是由服务端发给客户端的啊，这个报文表示服务端已经做好了断开连接的准备，那么当这个报文发给客户端的时候，客户端同样要给服务端继续发送一个消息确认的报文一共有四次，那么，通过这四次的相互沟通和连接，我就知道了，不管是服务端还是客户端都已经做好了断开连接的