TCP三次握手与四次挥手

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也许三次握手你会经常听到，但你知道三次握手的真正意义吗，为什么需要三次握手呢？

首先我们必须明白TCP是面向连接的协议，无论哪一个方向在发送数据之前，都必须先在双方之间建立连接。这一点与UDP协议是不一样的，UDP在发送数据报之前是不需要建立连接的。建立TCP连接的过程中，通信的双方需要互相发报文进行对话，总共发了三次报文，我们把这个过程称为三次握手，三次握手的过程也就是TCP建立连接的过程。

 

既然三次握手的过程需要用到报文，我们先了解一下报文的格式吧。下图中的报文格式即是一般的TCP报文模板，每一行表示32位（即4字节）长度，TCP报文由首部与数据组成，其中首部由固定选项和可选选项组成，固定选项占用20个字节。

图1 TCP报文格式

 

 

在三次握手的过程中，我们需要了解的是报文的序号、确认号、标志位，如下：

• 序号：表示报文段中的第一个数据字节，序号用来标识从TCP报文发送端向接收端发送的数据字节流，TCP用序号对每个发送的字节进行计数，或者说序号的值表示该端成功发送的数据字节数（忽略初始序列号ISN）；
• 确认序号：表示当前端成功接收到的数据字节数（忽略初始序列号ISN）；
• SYN标志：表示发起一个连接；
• ACK标志：表示确认号有效；
• FIN标志：表示释放一个连接；

 

TCP连接的三次握手

     

图2 TCP连接三次握手

 

我们假设建立TCP连接的请求由Client发起，那么整个建立TCP连接流程如下：

1. Client向Server发送一个SYN报文，其中报文标志SYN=1，序号SEQ=J，发送报文后Client处于SYN_SENT（同步已发送）状态；TCP规定，SYN报文不能携带数据，但标志SYN会消耗一个序号；
2. Server接收到SYN报文，如果同意建立连接，那么Server会发送SYN+ACK报文，报文的标志SYN=1、ACK=1，序号SEQ=K，确认序号ACK=J+1，发送报文后Server处于SYN_RCVD（同步已收到）状态
3. Client收到SYN+ACK报文后，需要向Server发送ACK报文确认，报文的标志ACK=1，确认序号ACK=K+1，此时Client进入ESTABLISHED（连接已建立）状态；当Server接收到ACK报文后，Server也进入ESTABLISHED（连接已建立）状态。

 

为什么要Server需要接收到Client的ACK报文后才建立连接呢，而不是在收到SYN+ACK报文后就建立连接？？

      主要是为了防止已失效的SYN报文又回到Server。因为有可能出现这样的情况： Client发出SYN报文后，由于某些原因在网络中滞留了一段时间，以致于延迟到连接已经释放后才到达Server。Server收到这个已经失效的SYN报文，误以为这是Client发起一个新的连接请求，Server会向Client发送确认的SYN+ACK报文，同意建立连接。如果不采用三次握手，那么Server在发出SYN+ACK报文后就建立新的连接了。由于Client没有发起新的连接请求，因此它不会理会Server建立连接的SYN+ACK报文，也不会向Server发送任何数据。此时，Server误以为连接已经建立，一直在等待Client发送数据，这样Server因为等待无效的连接的很多资源就白白资源了。采用三次握手就可以防止上面的情况出现。

 

TCP释放的四次挥手

图3 TCP释放四次挥手

 

由于TCP是全双工的，因此每个方向必须单独进行关闭。这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接；收到一个FIN表示这一方向上不会再有数据流动了，即不会再收到数据了，但自己仍可以向对方发送数据。首先发起FIN请求的一方执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。我们假设Client首先发起FIN请求，流程如下：

1. Client向Server发送FIN报文请求关闭连接，其中报文标志FIN=1，序号SEQ=M，标记FIN会消耗一个序号，然后Client进入FIN_WAIT_1状态；
2. Server收到FIN报文，向Client发送ACK报文，其中报文标志ACK=1，确认序号=M+1，Client收到报文后进入FIN_WAIT_2状态，等待Server发出释放连接报文；
3. Server完成数据发送任务，向Client发送FIN报文，其中报文标志FIN=1,序号SEQ=N，然后Server进入LAST_ACK状态；
4. Client收到Server的FIN报文，向Server发送确认报文，确认报文的标记ACK=1，序号ACK=N+1，然后Client进入TIME_WAIT状态；Server收到确认报文后，释放连接资源，进入CLOSED状态，此时Server->Client方向的连接关闭，Client->Server方向的连接必须等待一段时间后才会执行关闭，一般为2MSL，MSL即报文最大生存时间。

 

为什么Client在TIME_WAIT状态上必须等待一段时间才进入CLOSED状态呢？

• 为了保证Client发送的ACK报文能够到达Server。因为最后Client发送的ACK报文有可能丢失，因而使处在LAST_ACK状态的Server收到Client的确认，Server会超时重传FIN报文，而Client就能在2MSL时间内收到这个重传的FIN报文，接着Client再次发送ACK报文确认，重新启动2MSL计时器，经过2MSL时间后Client若没有再次收到Server报文，那么就可以认为Server已经关闭了，Client也可以关闭自己方向的连接了。
• 防止已失效的报文出现在新的连接报文中；Client在发送完最后一个ACK报文后，经过2MSL时间就可以使本连接持续时间内所产生的所有报文都从网络中消失，这样在下一个新的连接中就不会出现旧连接中的连接报文。