TCP连接的建立和断开过程

TCP连接的建立和断开过程是网络通信的核心机制，主要通过三次握手（Three-way Handshake）建立连接，通过四次挥手（Four-way Handshake）断开连接。以下是详细说明：

---

一、TCP连接建立：三次握手

目的：确保通信双方都能正常发送和接收数据，并同步初始序列号（Sequence Number）。

步骤详解：

1. 第一次握手（SYN）

   • 客户端发送一个TCP报文：
     • 标志位：SYN=1（表示请求建立连接）
     • 序列号（Seq）：随机值 X（例如 Seq = 100）
   • 客户端进入 SYN_SENT 状态。

2. 第二次握手（SYN + ACK）

   • 服务器收到 SYN 后，回复确认报文：
     • 标志位：SYN=1（表示同意建立连接） + ACK=1（确认客户端的SYN）
     • 序列号（Seq）：随机值 Y（例如 Seq = 300）
     • 确认号（Ack）：X + 1（例如 Ack = 101）
   • 服务器进入 SYN_RCVD 状态。

3. 第三次握手（ACK）

   • 客户端收到 SYN+ACK 后，发送最终确认报文：
     • 标志位：ACK=1
     • 序列号（Seq）：X + 1（例如 Seq = 101）
     • 确认号（Ack）：Y + 1（例如 Ack = 301）
   • 服务器收到后，双方进入 ESTABLISHED 状态，连接建立成功。

为什么需要三次握手？

• 两次握手的风险：若客户端的失效连接请求（SYN）延迟到达服务器，服务器会误认为新连接已建立，导致资源浪费。
• 第三次握手的作用：客户端确认服务器的响应有效，避免历史连接干扰。

---

二、TCP连接断开：四次挥手

目的：双方确认数据已发送完毕，安全关闭连接。

步骤详解：

假设客户端主动发起关闭：

1. 第一次挥手（FIN）

   • 客户端发送结束报文：
     • 标志位：FIN=1（表示请求关闭连接）
     • 序列号（Seq）：当前值 P（例如 Seq = 500）
   • 客户端进入 FIN_WAIT_1 状态。

2. 第二次挥手（ACK）

   • 服务器收到 FIN 后，回复确认报文：
     • 标志位：ACK=1
     • 序列号（Seq）：当前值 Q（例如 Seq = 700）
     • 确认号（Ack）：P + 1（例如 Ack = 501）
   • 服务器进入 CLOSE_WAIT 状态，客户端收到后进入 FIN_WAIT_2 状态。

   注意：此时服务器可能还有未发送完的数据（半关闭状态）。

3. 第三次挥手（FIN）

   • 服务器完成数据发送后，发送自己的结束报文：
     • 标志位：FIN=1 + ACK=1
     • 序列号（Seq）：Q + 数据长度（例如 Seq = 750）
     • 确认号（Ack）：仍为 P + 1（例如 Ack = 501）
   • 服务器进入 LAST_ACK 状态。

4. 第四次挥手（ACK）

   • 客户端收到 FIN 后，回复最终确认报文：
     • 标志位：ACK=1
     • 序列号（Seq）：P + 1（例如 Seq = 501）
     • 确认号（Ack）：Seq + 1（例如 Ack = 751）
   • 客户端进入 TIME_WAIT 状态，等待 2MSL（Maximum Segment Lifetime）后关闭。
   • 服务器收到 ACK 后立即关闭连接。

关键问题解析：

1. 为什么需要四次挥手？
   TCP是全双工协议，双方需独立关闭自己的数据通道。

   • 客户端发送 FIN 表示不再发送数据（但仍可接收）。
   • 服务器可能仍需发送剩余数据，故先回复 ACK，再单独发送 FIN。

2. TIME_WAIT状态的作用（等待2MSL）：

   • 确保最后一个ACK到达服务器：若服务器未收到ACK，会重发FIN，客户端可重新响应。
   • 避免旧连接的数据包干扰新连接：等待所有网络中的残余数据包消亡（MSL通常为30秒-2分钟）。

---

三、连接状态变化示意图

客户端                         服务器
  |                              |
  |-------- SYN (Seq=X) -------->|  【三次握手开始】
  |<------- SYN+ACK (Seq=Y, Ack=X+1)|
  |-------- ACK (Ack=Y+1) ------>|  【连接建立】
  |                              |
  |... 数据传输 ...              |
  |                              |
  |-------- FIN (Seq=P) -------->|  【四次挥手开始】
  |<------- ACK (Ack=P+1) -------|  （半关闭）
  |                              |
  |<------- FIN (Seq=Q) ---------|  
  |-------- ACK (Ack=Q+1) ------>|  【连接关闭】
  |(等待2MSL)                    |
  |                              |

---

四、实际应用注意事项

1. SYN Flood攻击：攻击者伪造大量SYN请求但不回复ACK，耗尽服务器资源。
   防御：启用 SYN Cookies 或限制半连接数。

2. 大量TIME_WAIT连接：

   • 原因：短连接频繁建立/关闭（如Web服务器）。
   • 解决：调整内核参数（如 net.ipv4.tcp_tw_reuse）或使用连接池。

3. TCP Keepalive：
   长时间空闲的连接可能被中间设备断开，可通过Keepalive探测对方存活状态。

---

总结

阶段	关键动作	目的
三次握手	SYN → SYN+ACK → ACK	同步序列号，确认双向通信能力
四次挥手	FIN → ACK → FIN → ACK	安全关闭双向数据通道
TIME_WAIT	客户端等待2MSL	确保最后一个ACK被接收，清理残余数据

理解TCP连接/断开的细节，有助于诊断网络问题（如连接超时、端口占用）及优化高并发服务。