面试题:TCP协议三次握手

一、首先了解TCP报文格式

其中必须了解的字段有：

1、源端口与目的端口：16位，标识出发送端与接收端的端口号。

2、序号：32位，也叫顺序号、seg序号，本报文段所发送的数据的第一个字节的序号，用来标记数据报顺序。

3、确认号：32位，ack序号，用来标记期待收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号，确认信号ack=发送过来的seg+1，收发两端配对。

4、标志位：共有6个。

ACK起应答作用，占1位；仅当ACK=1时，确认号字段才有效，ACK=0时，确认号无效。

SYN起同步作用；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。

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。

PSH表示接收方应将报文交给应用层，
RST表示连接重置，
URG表示紧急指针，不常用。

 

二、“三次握手”

概念：所谓“三次握手”就是TCP连接建立的过程，即需要客户端与服务端总共发送三个包（所以着重记忆这三个包就可以了）以确认连接的建立。

意义：通过“三次握手”保证了客户端与服务器建立的是双工连接，而可靠性是更多是通过重发机制实现的。

其它：在Socket编程中，这一过程由客户端执行connect来触发。

流程图如下：

（注：如下出现的ack与ACK标志不能混淆，前者是确认序号，后者是TCP状态标识位应答标识，切记！）

1、第一次握手：客户端发送SYN包（SYN=1，令ack=0，随机产生一个值给seg，seg=X）给服务器端请求连接，客户端进入SYN_SENT，等待服务器端确认。

2、第二次握手：服务器端接收SYN包，由SYN=1知道客户端请求连接，服务器端发送SYN+ACK包（SYN=ACK=1，ack=X+1，随机产生一个值给seg，seg=Y）给客户端确认连接请求，服务器端进入SYN_RCVD状态。

3、第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包后，检查ack是否为X+1，ACK标志是否为1，如果正确，发送ACK包（ACK标志置为1，令ack=Y+1），并将该数据包发送给服务器端；服务器端检查ack是否为Y+1，ACK标志是否为1，如果正确则建立连接，客户端与服务器端进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，可以开始传输数据了！

 

三、“四次挥手”

概念：所谓“四次挥手”就是关闭TCP连接的过程，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认双方连接的断开。

意义：同样是保证TCP连接的全双工连接。

其它：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。

流程图如下：

由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这个原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN包来终止这个方向的连接。收到一个 FIN包只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。

1、第一次挥手：客户端发送一个FIN包（FIN=1，随机产生一个值给seg，seg=u）给服务器端，用来关闭客服端到服务器端的数据传输，客户端进入FIN_WAIT_1状态。

2、第二次挥手：服务器端收到FIN包后，发送一个ACK包（ACK=1，ack=u+1，在随机产生一个值给seg，seg=v）给客户端，客户端进入CLOSE_WAIT状态。

3、第三次挥手：服务器端发送一个FIN包（FIN=1，ACK=1，ack=u+1，在随机产生一个值给seg，seg=w）给客户端，用来关闭服务器端到客户端的数据传输，服务器端进入LAST_ACK状态。

4、第四次挥手：客户端接收FIN包，然后进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK包（ACK=1，seq=u+1，ack=w+1）给服务器端，服务器端确认序号，进入CLOSED状态，完成四次挥手。

上述挥手过程是一方主动，另一方被动，然而有一定可能性是，双方同时主动申请关闭连接，这种情况流程图如下：

同时挥手：

 

四、其他问题（转载自星宇蓝海的博客http://www.cnblogs.com/cy568searchx/p/3711670.html）

1．为什么建立连接协议是三次握手，而关闭连接却是四次握手呢？
 
这是因为服务端的LISTEN状态下的SOCKET当收到SYN报文的建连请求后，它可以把ACK和SYN（ACK起应答作用，而SYN起同步作用）放在一个报文里来发送。但关闭连接时，当收到对方的FIN报文通知时，它仅仅表示对方没有数据发送给你了；但未必你所有的数据都全部发送给对方了，所以你可以未必会马上会关闭SOCKET,也即你可能还需要发送一些数据给对方之后，再发送FIN报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了，所以它这里的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的.
 
2．为什么TIME_WAIT状态还需要等2MSL后才能返回到CLOSED状态？
 
这是因为虽然双方都同意关闭连接了，而且握手的4个报文也都协调和发送完毕，按理可以直接回到CLOSED状态（就好比从SYN_SEND状态到ESTABLISH状态那样）；但是因为我们必须要假想网络是不可靠的，你无法保证你最后发送的ACK报文会一定被对方收到，因此对方处于LAST_ACK状态下的SOCKET可能会因为超时未收到ACK报文，而重发FIN报文，所以这个TIME_WAIT状态的作用就是用来重发可能丢失的ACK报文。

 

3、状态说明

CLOSED： 这个没什么好说的了，表示初始状态。
 
LISTEN： 这个也是非常容易理解的一个状态，表示服务器端的某个SOCKET处于监听状态，可以接受连接了。
 
SYN_RCVD： 这个状态表示接受到了SYN报文，在正常情况下，这个状态是服务器端的SOCKET在建立TCP连接时的三次握手会话过程中的一个中间状态，很短暂，基本 上用netstat你是很难看到这种状态的，除非你特意写了一个客户端测试程序，故意将三次TCP握手过程中最后一个ACK报文不予发送。因此这种状态 时，当收到客户端的ACK报文后，它会进入到ESTABLISHED状态。
 
SYN_SENT： 这个状态与SYN_RCVD遥想呼应，当客户端SOCKET执行CONNECT连接时，它首先发送SYN报文，因此也随即它会进入到了SYN_SENT状态，并等待服务端的发送三次握手中的第2个报文。SYN_SENT状态表示客户端已发送SYN报文。
 
ESTABLISHED：这个容易理解了，表示连接已经建立了。
 
FIN_WAIT_1： 这个状态要好好解释一下，其实FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_2状态的真正含义都是表示等待对方的FIN报文。而这两种状态的区别 是：FIN_WAIT_1状态实际上是当SOCKET在ESTABLISHED状态时，它想主动关闭连接，向对方发送了FIN报文，此时该SOCKET即 进入到FIN_WAIT_1状态。而当对方回应ACK报文后，则进入到FIN_WAIT_2状态，当然在实际的正常情况下，无论对方何种情况下，都应该马 上回应ACK报文，所以FIN_WAIT_1状态一般是比较难见到的，而FIN_WAIT_2状态还有时常常可以用netstat看到。

FIN_WAIT_2：上面已经详细解释了这种状态，实际上FIN_WAIT_2状态下的SOCKET，表示半连接，也即有一方要求close连接，但另外还告诉对方，我暂时还有点数据需要传送给你，稍后再关闭连接。

 

TIME_WAIT： 表示收到了对方的FIN报文，并发送出了ACK报文，就等2MSL后即可回到CLOSED可用状态了。如果FIN_WAIT_1状态下，收到了对方同时带FIN标志和ACK标志的报文时，可以直接进入到TIME_WAIT状态，而无须经过FIN_WAIT_2状态。

CLOSING： 这种状态比较特殊，实际情况中应该是很少见，属于一种比较罕见的例外状态。正常情况下，当你发送FIN报文后，按理来说是应该先收到（或同时收到）对方的 ACK报文，再收到对方的FIN报文。但是CLOSING状态表示你发送FIN报文后，并没有收到对方的ACK报文，反而却也收到了对方的FIN报文。什 么情况下会出现此种情况呢？其实细想一下，也不难得出结论：那就是如果双方几乎在同时close一个SOCKET的话，那么就出现了双方同时发送FIN报 文的情况，也即会出现CLOSING状态，表示双方都正在关闭SOCKET连接。

CLOSE_WAIT： 这种状态的含义其实是表示在等待关闭。怎么理解呢？当对方close一个SOCKET后发送FIN报文给自己，你系统毫无疑问地会回应一个ACK报文给对 方，此时则进入到CLOSE_WAIT状态。接下来呢，实际上你真正需要考虑的事情是察看你是否还有数据发送给对方，如果没有的话，那么你也就可以 close这个SOCKET，发送FIN报文给对方，也即关闭连接。所以你在CLOSE_WAIT状态下，需要完成的事情是等待你去关闭连接。

LAST_ACK： 这个状态还是比较容易好理解的，它是被动关闭一方在发送FIN报文后，最后等待对方的ACK报文。当收到ACK报文后，也即可以进入到CLOSED可用状态了。