TCP 三次握手与四次挥手

TCP

TCP，Transmission Control Protocol 传输控制协议，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。通俗来讲，TCP就是双方通信的一个规范标准，负责对数据的传输进行一定的控制。TCP 报文格式如下：

现对其中的结构做个简单介绍

• 源端口号就是指本地端口，目的端口号就是远程端口

• 序号，也称序列号（Sequence Number），用于 TCP 通信过程中某一传输方向上字节流的每个字节的编号，以防止乱序问题。简单来说，就是在传输过程中用序列号来标记自己的位置，保证数据能按序传输

• 确认序号，也称确认序列号（Acknowledgment Numbe），是接收确认端所期望收到的下一序列号。确认序号应当是上次已成功收到数据字节序号加 1，只有当标志位中的 ACK 标志为 1 时该确认序列号的字段才有效。主要用来解决不丢包的问题

• 标志位，TCP Flag，TCP 首部中有 6 个标志比特，它们中的多个可同时被设置为 1，主要是用于操控 TCP 的状态机，依次为 URG，ACK，PSH，RST，SYN，FIN

  • ACK

    表示应答域有效，这个标识可以理解为发送端发送数据到接收端，发送的时候 ACK 为 0，标识接收端还未应答，一旦接收端接收数据之后，就将 ACK 置为 1，发送端接收到之后，就知道了接收端已经接收了数据

  • SYN

    表示同步序列号，用来建立 TCP 连接。SYN 标志位和 ACK 标志位搭配使用，当连接请求的时候，SYN = 1，ACK = 0；连接被响应的时候，SYN = 1，ACK = 1；这个标志的数据包经常被用来进行端口扫描。扫描者发送一个只有 SYN 的数据包，如果对方主机响应了一个数据包回来 ，就表明这台主机存在这个端口

  • FIN

    表示发送端已经达到数据末尾，也就是说双方的数据传送完成，没有数据可以传送了，发送 FIN 标志位的 TCP 数据包后，连接将被断开。这个标志的数据包也经常被用于进行端口扫描

• 窗口大小（Window Size），也称为滑动窗口大小，用来进行流量控制

TCP 三次握手

TCP 三次握手，即建立 TCP 连接，需要客户端和服务端总共发送 3 个包以确认连接的建立。在 Socket 编程中，这一过程由客户端执行 connect 来触发。TCP 握手的目的有三个：确认双方的接收与发送能力是否正常；初始化序列号，为后面的可靠传送做准备；进行数字证书的验证以及加密密钥的生成

• 第一次握手：客户端发送请求报文将 SYN = 1 同步序列号和初始化序列号 seq = J 发送给服务端，发送完之后客户端处于发送等待状态
• 第二次握手：服务端受到 SYN 请求报文之后，如果同意连接，会以自己的同步序列号 SYN = 1、初始化序列号 seq = K 和确认序列号（期望下次收到的数据包）ack = J + 1 以及确认号 ACK = 1 报文作为应答，此时服务器为确认接收状态
• 第三次握手：客户端接收到服务端的 SYN + ACK 之后，知道可以发送下一序列的数据包了，然后发送同步序列号 ack = K + 1 和数据包的序列号 seq = J + 1 以及确认号 ACK = 1 确认包作为应答，客户端转为确认连接状态

为什么是三次握手？

为什么是三次握手，而不是一次、二次呢？因为有可能出现这种情况：客户端发送了一个连接请求，但出现网络延迟，导致客户端没有及时收到服务端的响应，就会认为本次请求失效。而这时原本延迟的请求又来到服务端，服务端确认并保持等待状态，但实际上此时客户端并没有与服务端连接的意思，这就会导致服务器一直处于等待状态，造成资源浪费

TCP 四次挥手

TCP 四次挥手，即终止 TCP 连接，需要客户端和服务端总共发送 4 个包以确认连接的断开。在 Socket 编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行 close 来触发

• 第一次分手：第一次分手无论是客户端还是服务端都可以发起，因为 TCP 是全双工的。假如客户端发送的数据已经发送完毕，发送 FIN = 1 告诉服务端，客户端所有数据已经全发完了，服务端可以关闭接收了，但如果服务端还有数据要发给客户端，客户端照样可以接收的。此时客户端处于 FIN_WAIT_1 等待关闭状态
• 第二次分手：服务端接收到客户端的释放请求连接之后，知道客户端没有数据要发给自己了，然后服务端发送 ACK = 1 告诉客户端已经收到发给自己的信息，此时服务端处于 CLOSE_WAIT 等待关闭状态
• 第三次分手：此时服务端已经没有数据向客户端发送了，然后发送一个 FIN = 1，用于告诉客户端，服务端的所有数据发送完毕，客户端可以关闭接收数据连接了。此时服务端状态处于 LAST_ACK 确认关闭状态
• 第四次分手：此时如果客户端收到了服务端发送完的信息之后，就发送 ACK = 1，告诉服务端，客户端已经收到了服务端的信息，服务端处于 CLOSED 状态，四次挥手全部完成

为什么是四次挥手？

为什么是四次挥手呢？因为关闭连接时，己方收到对方的 FIN 报文，仅仅表示对方不再向自己发送数据，但还能接受数据。己方可能还有数据要发送给对方，所以不能向三次握手一样直接把 ACK 和 SYN 放一起发送，而是先发送 ACK，直到没有数据要发送了，才是 FIN 确认关闭连接

为什么 TIME_WAIT 状态需要经过 2MSL 才能返回到 CLOSE 状态？

假设出现各种网络原因，使得服务端没有接收到客户端最后回复的 ACK，这时服务端就会重新发送 FIN。如果没有 2MSL 的延迟，那客户端回复 ACK 后就立即处于 close 状态，自然也无法接收到服务端再次发送的 FIN。最后服务端会认为出现连接错误问题并报告给上层。这种情况虽然不至于导致数据丢失，但不符合 TCP 是可靠连接的要求