TCP三次握手与四次挥手

一、前言

1、TCP通信

TCP是面向连接的协议。运输连接是用来传送TCP报文的，而运输连接的建立和释放是每一次面向连接的通信中必不可少的过程。可以类比传统的电话网，拨通号码，开始通话，挂断电话。用户进程和服务器进程需要完成一次通信都需要完成三个阶段：

• 连接建立
• 数据传送
• 连接释放

TCP协议中，主动发起请求的一端称为客户端，被动连接的一端称为服务端。由于全双工，不管是客户端还是服务端，TCP连接建立完后都能发送和接收数据。

2、序列号、确认号及标志位等

• 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受到下一个字节的编号，因此挡墙报文段最后一个字节的编号+1即是确认号。
• 确认ACK：占1个比特位，仅当ACK=1，确认号字段才有效。ACK=0，确认号无效。
• 同步SYN：连接建立时用于同步序号。当SYN=1，ACK=0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用SYN=1，ACK=1.因此，SYN=1表示这是一个连接请求，或连接接收报文，SYN这个标志位只有在TCP建立连接才会被置为1，握手完成后SYN标志位被置为0.
• 终止FIN：用来释放一个连接。

3、知乎示例

为什么是三次握手，而不是两次或者四次握手，知乎上有个形象的示例。

三次握手：
“喂，你听得到吗？”
“我听得到呀，你听得到我吗？”
“我能听到你，今天balabala……”

两次握手：
“喂，你听得到吗？”
“我听得到呀”
“喂喂，你听得到吗？”
“草，我听得到呀！！！！”
“你TM能不能听到我讲话啊！！喂！”
“……”

四次握手：
“喂，你听得到吗？”
“我听得到呀，你听得到我吗？”
“我能听到你，你能听到我吗？”
“……不想跟傻逼说话”

转载自知乎：TCP 为什么是三次握手，而不是两次或四次？

二、TCP三次握手

1、三报文握手

TCP三次握手中的三次，连接建立，其实是指一次握手中交换了三个报文，进行了三次信息的单向传递，而不是真正进行了三次握手。用英文就是 three messages handshake，这里的handshake是单数形式。所以，三次握手其实是三报文握手。
而TCP四次挥手，也就是在连接释放的过程中，需要交换四个报文。

2、图解TCP三次握手

图自谢希仁《计算机网络（第五版）》
最初两端的TCP进程都处于CLOSED关闭状态，A主动打开连接，而B被动打开连接。（A、B关闭状态CLOSED——B收听状态LISTEN——A同步已发送状态SYN-SENT——B同步收到状态SYN-RCVD——A、B连接已建立状态ESTABLISHED）

TCP三次握手过程
B的TCP服务器进程先创建传输控制块TCB，准备接受客户进程的连接请求。然后服务器进程就处于LISTEN（收听）状态，等待客户的连接请求。若有，则作出响应。
1）第一次握手：A的TCP客户进程也是首先创建传输控制块TCB，然后向B发出连接请求报文段，（首部的同步位SYN=1，初始序号seq=x），（SYN=1的报文段不能携带数据）但要消耗掉一个序号，此时TCP客户进程进入SYN-SENT（同步已发送）状态。
2）第二次握手：B收到连接请求报文段后，如同意建立连接，则向A发送确认，在确认报文段中（SYN=1，ACK=1，确认号ack=x+1，初始序号seq=y），测试TCP服务器进程进入SYN-RCVD（同步收到）状态；
3）第三次握手：TCP客户进程收到B的确认后，要向B给出确认报文段（ACK=1，确认号ack=y+1，序号seq=x+1）（初始为seq=x，第二个报文段所以要+1），ACK报文段可以携带数据，不携带数据则不消耗序号。TCP连接已经建立，A进入ESTABLISHED（已建立连接）。
当B收到A的确认后，也进入ESTABLISHED状态。

3、为什么要进行三次握手？

也就是说为什么要在A最后还要再发送一次确认？
是为了防止已经失效的请求报文端，再次传到B，因而产生错误。

<1>、正常情况

client发送了连接请求，但是请求报文因为种种原因丢失而未确认。于是A超时重传，再一次发送请求连接报文。server收到了，然后再发送请求确认报文，并最终完成client与server的连接。数据传输结束后，释放连接。这个过程中，client一共发送了两个请求连接报文段，第一个丢失，第二个到达server。

<2>、 异常情况

client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某个网络结点长时间的滞留了，以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。本来这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。于是就向client发出确认报文段，同意建立连接。假设不采用三次握手，那么只要server发出确认，新的连接就建立了。由于现在client并没有发出建立连接的请求，因此不会理睬server的确认，也不会向server发送数据。但server却以为新的运输连接已经建立，并一直等待client发来数据。这样，server的很多资源就白白浪费掉了。

采用三次握手的办法可以防止上述现象发生。

三、TCP四次挥手

1、四报文挥手

想要从客户端到服务端释放连接，需要四次报文传输。

2、图解TCP四次挥手

图自谢希仁《计算机网络（第五版）》
数据传输结束后，通信的双方都可释放连接，A和B都处于ESTABLISHED状态。（A、B连接建立状态ESTABLISHED——A终止等待1状态FIN-WAIT-1——B关闭等待状态CLOSE-WAIT——A终止等待2状态FIN-WAIT-2——B最后确认状态LAST-ACK——A时间等待状态TIME-WAIT——B、A关闭状态CLOSED）

TCP四次挥手过程
1）A的应用进程先向其TCP发出连接释放报文段（FIN=1，序号seq=u），并停止再发送数据，主动关闭TCP连接，进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态，等待B的确认。
2）B收到连接释放报文段后即发出确认报文段，（ACK=1，确认号ack=u+1，序号seq=v），B进入CLOSE-WAIT（关闭等待）状态，此时的TCP处于半关闭状态，A到B的连接释放。
3）A收到B的确认后，进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待B发出的连接释放报文段。
4）B没有要向A发出的数据，B发出连接释放报文段（FIN=1，ACK=1，序号seq=w，确认号ack=u+1），B进入LAST-ACK（最后确认）状态，等待A的确认。
5）A收到B的连接释放报文段后，对此发出确认报文段（ACK=1，seq=u+1，ack=w+1），A进入TIME-WAIT（时间等待）状态。此时TCP未释放掉，需要经过时间等待计时器设置的时间2MSL后，A才进入CLOSED状态。

TCP四次挥手总结
客户端发送FIN后，进入终止等待状态，服务器收到客户端连接释放报文段后，就立即给客户端发送确认，服务器就进入CLOSE_WAIT状态，此时TCP服务器进程就通知高层应用进程，因而从客户端到服务器的连接就释放了。此时是“半关闭状态”，即客户端不可以发送给服务器，服务器可以发送给客户端。
此时，如果服务器没有数据报发送给客户端，其应用程序就通知TCP释放连接，然后发送给客户端连接释放数据报，并等待确认。客户端发送确认后，进入TIME_WAIT状态，但是此时TCP连接还没有释放，然后经过等待计时器设置的2MSL后，才进入到CLOSE状态。

3、为什么时间是2MSL

MSL即Maximum Segment Lifetime，就是最大报文生存时间，是任何报文在网络上的存在的最长时间，超过这个时间报文将被丢弃。这里的2MSL是时间等待计时器设置的。

<1>、理由一

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。

<2>、理由二

client再发送完最后一个报文端ACK之后，再经过2MSL的时间，就可以是本次连接持续时间内的所有产生的报文段都消失，这样下一次连接中就不会出现旧的请求连接报文段。

4、为什么是四次握手

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。

四、参考

参考 谢希仁《计算机网络（第五版）》
另外强烈推荐 户根勤《网络是怎样连接的》