【学习记录】TCP 的三次握手和四次挥手

TCP 的三次握手和四次挥手

TCP（传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。为了建立和终止连接，TCP 使用“三次握手”和“四次挥手”机制。以下是详细描述：

1. TCP 的三次握手

三次握手是 TCP 建立连接的过程，确保客户端和服务器双方都能正常发送和接收数据。

1.1 三次握手的步骤

1. 第一次握手（SYN）：
   • 客户端向服务器发送一个 SYN（同步）报文，表示请求建立连接。
   • 报文中包含：
     • SYN 标志位：设置为 1。
     • 序列号（Seq）：客户端随机生成一个初始序列号（如 Seq = x）。
   • 客户端进入 SYN_SENT 状态。
2. 第二次握手（SYN + ACK）：
   • 服务器收到客户端的 SYN 报文后，向客户端发送一个 SYN + ACK（同步 + 确认）报文，表示同意建立连接。
   • 报文中包含：
     • SYN 标志位：设置为 1。
     • ACK 标志位：设置为 1。
     • 序列号（Seq）：服务器随机生成一个初始序列号（如 Seq = y）。
     • 确认号（Ack）：Ack = x + 1，表示期望收到客户端的下一个数据包的序列号。
   • 服务器进入 SYN_RECEIVED 状态。
3. 第三次握手（ACK）：
   • 客户端收到服务器的 SYN + ACK 报文后，向服务器发送一个 ACK（确认）报文，表示连接已建立。
   • 报文中包含：
     • ACK 标志位：设置为 1。
     • 序列号（Seq）：Seq = x + 1。
     • 确认号（Ack）：Ack = y + 1，表示期望收到服务器的下一个数据包的序列号。
   • 客户端和服务器都进入 ESTABLISHED 状态，连接建立成功。

1.2 三次握手的作用

• 确认双方的发送和接收能力：
  • 客户端确认服务器能正常接收数据（通过第二次握手）。
  • 服务器确认客户端能正常接收数据（通过第三次握手）。
• 同步初始序列号：
  • 双方交换初始序列号，用于后续数据传输的可靠性保证。
• 防止历史连接的干扰：
  • 通过三次握手，可以避免因网络延迟导致的旧连接请求干扰新连接。

2. TCP 的四次挥手

四次挥手是 TCP 终止连接的过程，确保客户端和服务器双方都能正常关闭连接。

2.1 四次挥手的步骤

1. 第一次挥手（FIN）：
   • 客户端向服务器发送一个 FIN（结束）报文，表示客户端没有数据要发送了，请求关闭连接。
   • 报文中包含：
     • FIN 标志位：设置为 1。
     • 序列号（Seq）：Seq = u（u 是客户端最后发送的数据的序列号 + 1）。
   • 客户端进入 FIN_WAIT_1 状态。
2. 第二次挥手（ACK）：
   • 服务器收到客户端的 FIN 报文后，向客户端发送一个 ACK（确认）报文，表示已收到关闭请求。
   • 报文中包含：
     • ACK 标志位：设置为 1。
     • 确认号（Ack）：Ack = u + 1，表示期望收到客户端的下一个数据包的序列号。
   • 服务器进入 CLOSE_WAIT 状态，客户端进入 FIN_WAIT_2 状态。
3. 第三次挥手（FIN）：
   • 服务器完成数据发送后，向客户端发送一个 FIN 报文，表示服务器也没有数据要发送了，请求关闭连接。
   • 报文中包含：
     • FIN 标志位：设置为 1。
     • 序列号（Seq）：Seq = w（w 是服务器最后发送的数据的序列号 + 1）。
   • 服务器进入 LAST_ACK 状态。
4. 第四次挥手（ACK）：
   • 客户端收到服务器的 FIN 报文后，向服务器发送一个 ACK 报文，表示已收到关闭请求。
   • 报文中包含：
     • ACK 标志位：设置为 1。
     • 确认号（Ack）：Ack = w + 1，表示期望收到服务器的下一个数据包的序列号。
   • 客户端进入 TIME_WAIT 状态，等待 2MSL（最大报文段生存时间）后关闭连接。
   • 服务器收到 ACK 报文后，立即关闭连接。

2.2 四次挥手的作用

• 确保数据完整性：
  • 通过四次挥手，确保双方都完成了数据的发送和接收。
• 防止数据丢失：
  • 客户端在 TIME_WAIT 状态等待 2MSL，确保服务器收到了最后的 ACK 报文。
  • 如果服务器未收到 ACK 报文，会重发 FIN 报文，客户端可以再次确认。
• 优雅关闭连接：
  • 双方都有机会发送未完成的数据，并确认对方已收到关闭请求。

3. 三次握手和四次挥手的对比

特性	三次握手	四次挥手
目的	建立连接	终止连接
步骤	SYN → SYN + ACK → ACK	FIN → ACK → FIN → ACK
状态变化	SYN_SENT → SYN_RECEIVED → ESTABLISHED	FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT
数据完整性	确保双方能正常发送和接收数据	确保双方完成数据发送和接收
时间消耗	较短	较长（尤其是 TIME_WAIT 状态）

4. 常见问题

4.1 为什么需要三次握手？

• 两次握手无法确认客户端的接收能力，可能导致服务器浪费资源。
• 三次握手可以避免因网络延迟导致的旧连接请求干扰新连接。

4.2 为什么需要四次挥手？

• 因为 TCP 是全双工协议，双方需要分别关闭发送和接收通道。
• 服务器可能还有未发送完的数据，需要先发送 FIN 报文。

4.3 TIME_WAIT 状态的作用是什么？

• 确保服务器收到最后的 ACK 报文。
• 防止旧连接的报文干扰新连接。

5. 总结

• 三次握手用于建立连接，确保双方能正常通信。
• 四次挥手用于终止连接，确保双方完成数据发送和接收。
• TCP 的连接管理机制保证了数据传输的可靠性和完整性。