简述TCP的三次握手过程

一、TCP报文格式

  TCP/IP协议的详细信息参看《TCP/IP协议详解》三卷本。下面是TCP报文格式图：

图1 TCP报文格式

        上图中有几个字段需要重点介绍下：
        （1）序号：Seq序号，占32位，用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流，发起方发送数据时对此进行标记。
        （2）确认序号：Ack序号，占32位，只有ACK标志位为1时，确认序号字段才有效，Ack=Seq+1。
        （3）标志位：共6个，即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等，具体含义如下：
                （A）URG：紧急指针（urgent pointer）有效。
                （B）ACK：确认序号有效。
                （C）PSH：接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
                （D）RST：重置连接。
                （E）SYN：发起一个新连接。
                （F）FIN：释放一个连接。

        需要注意的是：
                （A）不要将确认序号Ack与标志位中的ACK搞混了。
                （B）确认方Ack=发起方seq+1，两端配对。

二、三次握手

 所谓三次握手（Three-Way Handshake）即建立TCP连接，就是指建立一个TCP连接时，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，整个流程如下图所示：

图2 TCP三次握手

（1）第一次握手：Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。
（2）第二次握手：Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。
（3）第三次握手：Client收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

类似我们打电话
A:在吗？我找你有事【发送一个SYN，请求连接】
B:我在，你能听到我说话吗？【确认了连接，ACK=1，然后再发个请求SYN】
A：我听到了【确认对方的链接，连接建立】

三、四次挥手

  三次握手耳熟能详，四次挥手估计就，所谓四次挥手（Four-Way Wavehand）即终止TCP连接，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，整个流程如下图所示：

 由于TCP连接时全双工的，因此，每个方向都必须要单独进行关闭，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只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭，上图描述的即是如此。
（1）第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN_WAIT_1状态。
（2）第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），Server进入CLOSE_WAIT状态。
（3）第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK状态。
（4）第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。

举个例子：当我们挂电话
A:我要挂电话了【发送一个FIN 关闭自己的传输通道。不再说新的话了】
B:别先挂，你刚才说我的事，我还没听清楚，我要说
B：我说完了 我挂了【发送FIN 请求关闭 不再发送数据】
A：好 我也挂了

四、TCP状态转移要点

TCP协议规定，对于已经建立的连接，网络双方要进行四次握手才能成功断开连接，如果缺少了其中某个步骤，将会使连接处于假死状态，连接本身占用的资源不 会被释放。
网络服务器程序要同时管理大量连接，所以很有必要保证无用连接完全断开，否则大量僵死的连接会浪费许多服务器资源。
在众多TCP状态中，最值得 注意的状态有两个：CLOSE_WAIT和TIME_WAIT
 

1、LISTENING状态

FTP服务启动后首先处于侦听（LISTENING）状态。

2、ESTABLISHED状态

ESTABLISHED的意思是建立连接。表示两台机器正在通信。

3、CLOSE_WAIT

    对方主动关闭连接或者网络异常导致连接中断，这时我方的状态会变成CLOSE_WAIT 此时我方要调用close()来使得连接正确关闭

4、TIME_WAIT

    我方主动调用close()断开连接，收到对方确认后状态变为TIME_WAIT。TCP协议规定TIME_WAIT状态会一直持续2MSL(即两倍的分 段最大生存期)，以此来确保旧的连接状态不会对新连接产生影响。处于TIME_WAIT状态的连接占用的资源不会被内核释放，所以作为服务器，在可能的情 况下，尽量不要主动断开连接，以减少TIME_WAIT状态造成的资源浪费。

    目前有一种避免TIME_WAIT资源浪费的方法，就是关闭socket的LINGER选项。但这种做法是TCP协议不推荐使用的，在某些情况下这个操作可能会带来错误。

5、SYN_SENT状态

　 　SYN_SENT状态表示请求连接，当你要访问其它的计算机的服务时首先要发个同步信号给该端口，此时状态为SYN_SENT，如果连接成功了就变为 ESTABLISHED，此时SYN_SENT状态非常短暂。但如果发现SYN_SENT非常多且在向不同的机器发出，那你的机器可能中了冲击波或震荡波 之类的病毒了。这类病毒为了感染别的计算机，它就要扫描别的计算机，在扫描的过程中对每个要扫描的计算机都要发出了同步请求，这也是出现许多 SYN_SENT的原因。

根据TCP协议定义的3次握手断开连接规定,发起socket主动关闭的一方 socket将进入TIME_WAIT状态,TIME_WAIT状态将持续2个MSL(Max Segment Lifetime),在Windows下默认为4分钟,即240秒,TIME_WAIT状态下的socket不能被回收使用. 具体现象是对于一个处理大量短连接的服务器,如果是由服务器主动关闭客户端的连接,将导致服务器端存在大量的处于TIME_WAIT状态的socket, 甚至比处于Established状态下的socket多的多,严重影响服务器的处理能力,甚至耗尽可用的socket,停止服务. TIME_WAIT是TCP协议用以保证被重新分配的socket不会受到之前残留的延迟重发报文影响的机制,是必要的逻辑保证.