参考：
https://blog.csdn.net/qq_38950316/article/details/81087809
https://blog.csdn.net/qzcsu/article/details/72861891
https://www.cnblogs.com/dabai56/p/11201106.html
TCP的三次握手与四次挥手理解及面试题
本文经过借鉴书籍资料、他人博客总结出的知识点，欢迎提问
序列号seq：占4个字节，用来标记数据段的顺序，TCP把连接中发送的所有数据字节都编上一个序号，第一个字节的编号由本地随机产生；给字节编上序号后，就给每一个报文段指派一个序号；序列号seq就是这个报文段中的第一个字节的数据编号。
确认号ack：占4个字节，期待收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号；序列号表示报文段携带数据的第一个字节的编号；而确认号指的是期望接收到下一个字节的编号；因此当前报文段最后一个字节的编号+1即为确认号。
确认ACK：占1位，仅当ACK=1时，确认号字段才有效。ACK=0时，确认号无效
同步SYN：连接建立时用于同步序号。当SYN=1，ACK=0时表示：这是一个连接请求报文段。若同意连接，则在响应报文段中使得SYN=1，ACK=1。因此，SYN=1表示这是一个连接请求，或连接接受报文。SYN这个标志位只有在TCP建产连接时才会被置1，握手完成后SYN标志位被置0。
终止FIN：用来释放一个连接。FIN=1表示：此报文段的发送方的数据已经发送完毕，并要求释放运输连接
PS：ACK、SYN和FIN这些大写的单词表示标志位，其值要么是1，要么是0；ack、seq小写的单词表示序号。
| 字段 | 含义 |
|---|---|
| URG | 紧急指针是否有效。为1，表示某一位需要被优先处理 |
| ACK | 确认号是否有效，一般置为1。 |
| PSH | 提示接收端应用程序立即从TCP缓冲区把数据读走。 |
| RST | 对方要求重新建立连接，复位。 |
| SYN | 请求建立连接，并在其序列号的字段进行序列号的初始值设定。建立连接，设置为1 |
| FIN | 希望断开连接。 |
三次握手过程理解
第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包（syn=x）到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认；SYN：同步序列编号（Synchronize Sequence Numbers）。
第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=x+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=y），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；
第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=y+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED（TCP连接成功）状态，完成三次握手。
四次挥手过程理解
1）客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
2）服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
3）客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。
4）服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
5）客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
6）服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。
常见面试题
【问题1】为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手？
答：因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，"你发的FIN报文我收到了"。只有等到我Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。
【问题2】为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态？
答：虽然按道理，四个报文都发送完毕，我们可以直接进入CLOSE状态了，但是我们必须假象网络是不可靠的，有可以最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。在Client发送出最后的ACK回复，但该ACK可能丢失。Server如果没有收到ACK，将不断重复发送FIN片段。所以Client不能立即关闭，它必须确认Server接收到了该ACK。Client会在发送出ACK之后进入到TIME_WAIT状态。Client会设置一个计时器，等待2MSL的时间。如果在该时间内再次收到FIN，那么Client会重发ACK并再次等待2MSL。所谓的2MSL是两倍的MSL(Maximum Segment Lifetime)。MSL指一个片段在网络中最大的存活时间，2MSL就是一个发送和一个回复所需的最大时间。如果直到2MSL，Client都没有再次收到FIN，那么Client推断ACK已经被成功接收，则结束TCP连接。
【问题3】为什么不能用两次握手进行连接？
答：3次握手完成两个重要的功能，既要双方做好发送数据的准备工作(双方都知道彼此已准备好)，也要允许双方就初始序列号进行协商，这个序列号在握手过程中被发送和确认。
现在把三次握手改成仅需要两次握手，死锁是可能发生的。作为例子，考虑计算机S和C之间的通信，假定C给S发送一个连接请求分组，S收到了这个分组，并发 送了确认应答分组。按照两次握手的协定，S认为连接已经成功地建立了，可以开始发送数据分组。可是，C在S的应答分组在传输中被丢失的情况下，将不知道S 是否已准备好，不知道S建立什么样的序列号，C甚至怀疑S是否收到自己的连接请求分组。在这种情况下，C认为连接还未建立成功，将忽略S发来的任何数据分 组，只等待连接确认应答分组。而S在发出的分组超时后，重复发送同样的分组。这样就形成了死锁。
【问题4】如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？
TCP还设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75秒钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。
彻底明白TCP的三次握手与四次挥手
背景描述
通过上一篇中网络模型中的IP层的介绍，我们知道网络层，可以实现两个主机之间的通信。但是这并不具体，因为，真正进行通信的实体是在主机中的进程，是一个主机中的一个进程与另外一个主机中的一个进程在交换数据。IP协议虽然能把数据报文送到目的主机，但是并没有交付给主机的具体应用进程。而端到端的通信才应该是应用进程之间的通信。
UDP，在传送数据前不需要先建立连接，远地的主机在收到UDP报文后也不需要给出任何确认。虽然UDP不提供可靠交付，但是正是因为这样，省去和很多的开销，使得它的速度比较快，比如一些对实时性要求较高的服务，就常常使用的是UDP。对应的应用层的协议主要有 DNS,TFTP,DHCP,SNMP,NFS 等。
TCP，提供面向连接的服务，在传送数据之前必须先建立连接，数据传送完成后要释放连接。因此TCP是一种可靠的的运输服务，但是正因为这样，不可避免的增加了许多的开销，比如确认，流量控制等。对应的应用层的协议主要有 SMTP,TELNET,HTTP,FTP 等。
常用的熟知端口号
| 应用程序 | FTP | TFTP | TELNET | SMTP | DNS | HTTP | SSH | MYSQL |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 熟知端口 | 21,20 | 69 | 23 | 25 | 53 | 80 | 22 | 3306 |
| 传输层协议 | TCP | UDP | TCP | TCP | UDP | TCP | TCP | TCP |
TCP的概述
TCP把连接作为最基本的对象，每一条TCP连接都有两个端点，这种断点我们叫作套接字（socket），它的定义为端口号拼接到IP地址即构成了套接字，例如，若IP地址为192.3.4.16 而端口号为80，那么得到的套接字为192.3.4.16:80。
TCP报文首部
- 源端口和目的端口，各占2个字节，分别写入源端口和目的端口；
- 序号，占4个字节，TCP连接中传送的字节流中的每个字节都按顺序编号。例如，一段报文的序号字段值是 301 ，而携带的数据共有100字段，显然下一个报文段（如果还有的话）的数据序号应该从401开始；
- 确认号，占4个字节，是期望收到对方下一个报文的第一个数据字节的序号。例如，B收到了A发送过来的报文，其序列号字段是501，而数据长度是200字节，这表明B正确的收到了A发送的到序号700为止的数据。因此，B期望收到A的下一个数据序号是701，于是B在发送给A的确认报文段中把确认号置为701；
- 数据偏移，占4位，它指出TCP报文的数据距离TCP报文段的起始处有多远；
- 保留，占6位，保留今后使用，但目前应都位0；
- 紧急URG，当URG=1，表明紧急指针字段有效。告诉系统此报文段中有紧急数据；
- 确认ACK，仅当ACK=1时，确认号字段才有效。TCP规定，在连接建立后所有报文的传输都必须把ACK置1；
- 推送PSH，当两个应用进程进行交互式通信时，有时在一端的应用进程希望在键入一个命令后立即就能收到对方的响应，这时候就将PSH=1；
- 复位RST，当RST=1，表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立连接；
- 同步SYN，在连接建立时用来同步序号。当SYN=1，ACK=0，表明是连接请求报文，若同意连接，则响应报文中应该使SYN=1，ACK=1；
- 终止FIN，用来释放连接。当FIN=1，表明此报文的发送方的数据已经发送完毕，并且要求释放；
- 窗口，占2字节，指的是通知接收方，发送本报文你需要有多大的空间来接受；
- 检验和，占2字节，校验首部和数据这两部分；
- 紧急指针，占2字节，指出本报文段中的紧急数据的字节数；
- 选项，长度可变，定义一些其他的可选的参数。
TCP连接的建立（三次握手）
最开始的时候客户端和服务器都是处于CLOSED状态。主动打开连接的为客户端，被动打开连接的是服务器。
- TCP服务器进程先创建传输控制块TCB，时刻准备接受客户进程的连接请求，此时服务器就进入了LISTEN（监听）状态；
- TCP客户进程也是先创建传输控制块TCB，然后向服务器发出连接请求报文，这是报文首部中的同部位SYN=1，同时选择一个初始序列号 seq=x ，此时，TCP客户端进程进入了 SYN-SENT（同步已发送状态）状态。TCP规定，SYN报文段（SYN=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号。
- TCP服务器收到请求报文后，如果同意连接，则发出确认报文。确认报文中应该 ACK=1，SYN=1，确认号是ack=x+1，同时也要为自己初始化一个序列号 seq=y，此时，TCP服务器进程进入了SYN-RCVD（同步收到）状态。这个报文也不能携带数据，但是同样要消耗一个序号。
- TCP客户进程收到确认后，还要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1，ack=y+1，自己的序列号seq=x+1，此时，TCP连接建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。TCP规定，ACK报文段可以携带数据，但是如果不携带数据则不消耗序号。
- 当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态，此后双方就可以开始通信了。
为什么TCP客户端最后还要发送一次确认呢？
一句话，主要防止已经失效的连接请求报文突然又传送到了服务器，从而产生错误。
如果使用的是两次握手建立连接，假设有这样一种场景，客户端发送了第一个请求连接并且没有丢失，只是因为在网络结点中滞留的时间太长了，由于TCP的客户端迟迟没有收到确认报文，以为服务器没有收到，此时重新向服务器发送这条报文，此后客户端和服务器经过两次握手完成连接，传输数据，然后关闭连接。此时此前滞留的那一次请求连接，网络通畅了到达了服务器，这个报文本该是失效的，但是，两次握手的机制将会让客户端和服务器再次建立连接，这将导致不必要的错误和资源的浪费。
如果采用的是三次握手，就算是那一次失效的报文传送过来了，服务端接受到了那条失效报文并且回复了确认报文，但是客户端不会再次发出确认。由于服务器收不到确认，就知道客户端并没有请求连接。
TCP连接的释放（四次挥手）
数据传输完毕后，双方都可释放连接。最开始的时候，客户端和服务器都是处于ESTABLISHED状态，然后客户端主动关闭，服务器被动关闭。
- 客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
- 服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
- 客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。
- 服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
- 客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗ *∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
- 服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。
为什么客户端最后还要等待2MSL？
MSL（Maximum Segment Lifetime），TCP允许不同的实现可以设置不同的MSL值。
第一，保证客户端发送的最后一个ACK报文能够到达服务器，因为这个ACK报文可能丢失，站在服务器的角度看来，我已经发送了FIN+ACK报文请求断开了，客户端还没有给我回应，应该是我发送的请求断开报文它没有收到，于是服务器又会重新发送一次，而客户端就能在这个2MSL时间段内收到这个重传的报文，接着给出回应报文，并且会重启2MSL计时器。
第二，防止类似与“三次握手”中提到了的“已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中。客户端发送完最后一个确认报文后，在这个2MSL时间中，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。这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文。
为什么建立连接是三次握手，关闭连接确是四次挥手呢？
建立连接的时候， 服务器在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。
而关闭连接时，服务器收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，而自己也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即关闭，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送，从而导致多了一次。
如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？
TCP还设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75秒发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。
TIME_WAIT状态、危害、如何避免危害
1.什么是TIME_WAIT状态？
图片来源见水印
在TCP连接中四次挥手关闭连接时，主动关闭连接的一方（上图中时Client）会在发送最后一条ACK报文后维持一段时长2MSL（MSL指的是数据包在网络中的最大生存时间）的等待时间后才会真正关闭连接到CLOSED状态，该时间段内主动关闭方的状态为TIME_WAIT。即在TIME_WAIT状态时，定义这个连接的四元组（源/目的IP、源/目的端口）不能被使用。
2.为什么需要TIME_WAIT状态？
为实现TCP连接的可靠释放
1. 若主动断开连接方（上图中Client）最后一次ACK报文丢失了，会触发被动方（上图中Server）的超时重传机制，Server再次向Client发送FIN+ACK报文，如果Client在发送完最后一次ACK后立即断开连接（没有TIME_WAIT状态），则Server会收到RST=1的报文响应，表示连接建立异常，而此时并非异常，只是正常的关闭连接过程，进而导致Server端不能正常关闭连接。因此，Client必须维护2MSL的等待时间，确保在Server端第二次发送的FIN+ACK被Client正常接收，收到后Client立即发送ACK给Server，并重新启动2MSL计时器。（因为极端情况涉及两次报文传输（Client向Server的ACK，Server向Client的FIN+ACK），所以等待时间为2MSL）
2. 为使旧的重复数据包在网络中因过期而消失
可能存在一些数据包在传输过程中出现异常而导致严重推迟，而在它到来之前发送方已经重发了该报文，并完成其任务。如果在被推迟的报文未抵达前接收方断开了连接，随后又建立了一个与之前相同IP、Port的连接，而之前被推迟的报文在这时恰好到达，而此时此新连接非彼连接，从而会发生数据错乱，进而导致无法预知的情况。因此必须维持一段等待时间，使迟到的报文在网络中完全消失，并且在等待时间内，因为连接并未关闭，所以不能建立相同四元组的新连接，就不会出现数据错乱。
保活计时器
尽管维护了TIME_WAIT状态，双方也并非一定能正确关闭连接，
情况一：若被动关闭连接的一方没有收到对方的最后一条ACK，而重发FIN+ACK，而FIN+ACK也丢失了，并且在TIME_WAIT等待时间内，一直丢包，导致等待时间过后一方关闭连接，而被动关闭的一方因始终没有收到最后一个ACK而无法关闭连接。
情况二：两台主机建立连接成功后，一方因故障断网/断电，而另一方并不知情会一直白白等下去，显然这并不合理。
当发生以上两种情况时，就会用到保活计时器。服务器每收到一次客户的数据，就会重新设置保活计时器，若直到计时器时间内没有收到客户端的数据，服务器就发送一个探测报文段，以后每隔一段时间发送一次，如连续发送n个探测报文让没有收到客户的响应，服务器就认为客户端出现了故障，会主动关闭该连接。
注意：进程退出时，进程所拥有的文件描述符（包含socket）都会被释放，文件会被关闭，也就是会执行close，对于TCP连接来说就是进程会主动关闭连接。机器关机相同（OS会先关闭所有服务再关机）。
3.TIME_WAIT状态造成的危害
在高并发短连接的TCP服务器上，当服务器处理完请求后主动请求关闭连接，这样服务器上会有大量的连接处于TIME_WAIT状态，服务器维护每一个连接需要一个socket，也就是每个连接会占用一个文件描述符，而文件描述符的使用是有上限的，如果持续高并发，会导致一些连接失败。
还有一种情况，假设假设假设，今天双十一，这是一台Tmall的服务器，因为一些原因，服务器进程挂掉了，退出了，由于是服务器主动关闭连接，因此会有TIME_WAIT状态存在，也就意味着服务器进程想立即重启，但是起不来，因为端口（可能是80）还被之前处于TIME_WAIT的连接占用着，如果TIME_WAIT状态维持60秒，60秒服务器都起不来，双十一，啧啧。
备注：内核（kernel）利用文件描述符（file descriptor）来访问文件。文件描述符是非负整数。打开现存文件或新建文件时，内核会返回一个文件描述符。读写文件也需要使用文件描述符来指定待读写的文件
4.如何避免？
可设置套接字选项为SO_REUSEADDR，该选项的意思是，告诉操作系统，如果端口忙，但占用该端口TCP连接处于TIME_WAIT状态，并且套接字选项为SO_REUSEADDR，则该端口可被重用。如果TCP连接处于其他状态，依然返回端口被占用。该选项对服务程序重启非常有用。
在一个非常有用的场景就是，如果你的服务器程序停止后想立即重启，而新的套接字依旧希望使用同一端口，此时SO_REUSEADDR选项就可以避免TIME_WAIT状态。
参考：https://blog.csdn.net/yusiguyuan/article/details/38984759