TCP的三次握手和四次挥手

1.三次握手

1）三次握手的目的

确保双方通信能力正常，并同步初始序列号（ISN），防止历史重复连接干扰。

2）三次握手的流程

 

 这张图很复杂，我们可以将其简化为：

客户端Client                          服务器Server|-------- SYN (seq=x) ----------->|  |<-- SYN-ACK (seq=y, ack=x+1) ----|  |-------- ACK (ack=y+1) -------->|  

其中的syn和ack的含义是：

• SYN（Synchronize Sequence Numbers）：即同步序列号，是 TCP 连接建立时使用的一个标志位。当客户端向服务器发送 SYN 包时，它表示客户端请求与服务器建立连接，并在包中携带一个随机生成的初始序列号（Initial Sequence Number，ISN）。这个序列号用于标识后续数据传输中每个字节的顺序，服务器收到 SYN 包后，会返回一个 SYN + ACK 包，其中的序列号会在客户端的 ISN 基础上加 1，作为对客户端 SYN 的确认。
• ACK（Acknowledgment）：即确认号，用于确认收到了对方发送的数据。在 TCP 通信中，接收方会在收到数据后发送一个 ACK 包，告知发送方数据已成功接收。ACK 包中包含一个确认号，这个确认号表示接收方期望收到的下一个字节的序列号。例如，如果接收方成功收到了序列号为 1 - 1000 的字节，那么它发送的 ACK 包中的确认号将是 1001，表示期望接收发送方接下来发送的序列号为 1001 及以后的字节。

 

由在建立连接前，客户端和服务器需要知道双方的信息，如ip地址、端口号等。

所以第一步客户端向服务器发送一个syn包(syn==1)，表示请求建立连接。

第二步服务器向客户端返回一个ack包（ack==1），表示确认收到。

第三步服务器也向客户端发送一个syn包，表示请求建立连接。

第四步客户端向服务器发送一个ack包，表示确实收到。

其中第二步和第三步是可以由服务器一并发送，所以简化为“三步握手”。

3）三次握手的意义

1.投石问路，确认通信路径是否畅通。

2.验证发送方和接收方双方的发送能力、接受能力是否正常。

3.写上关键数据，如序列号。

4）三次握手可以变成两次握手吗？

不可以。如果变为两次握手，服务器发送完ack+syn包之后，不能收到客户端传来的ack确认包，所以无法得知数据是否发生了丢包现象。

5）三次握手可以变成四次握手吗？

• 四次握手过于冗余，增加了不必要的网络开销和时间延迟。

6）第三次握手的 ACK 包丢失会怎么样？

• 如果第三次握手的 ACK 包丢失，服务器会因为未收到确认而超时重传 SYN + ACK 包，客户端在收到重传的包后会再次发送 ACK 包。
• 若客户端不再发送 ACK 包，服务器会不断重传 SYN + ACK 包，直到达到一定的重传次数后放弃连接。
• 而客户端单方面认为连接已建立，如果此时客户端有数据发送，服务器会正常接收并处理，但服务器发送的数据可能会因未收到 ACK 确认而出现问题，如被重传或认为丢失。

2.四次挥手

1）四次挥手的目的

双方独立关闭双向通道，确保数据完整传输后再释放连接。

2）四次挥手的流程

可以简化为：

A                                        B|-------- FIN (seq=u) ----------->|  |<------- ACK (ack=u+1) ----------|  |<------- FIN (seq=w) ------------|  |-------- ACK (ack=w+1) -------->|  

其中的FIN的含义是：

FIN（Finish）是一个控制位，用于表示发送方已经完成数据发送，希望关闭连接。

当一方（比如客户端）发送 FIN 标志位为 1 的 TCP 报文段时，意味着它告知对方（服务器）：自己这边没有数据要发送了，但仍可以接收对方的数据。对方收到 FIN 报文后，会进行相应的处理，并返回一个确认报文（ACK）。之后，当对方也完成数据发送，同样会发送 FIN 报文给发起方，发起方确认后，双方就完成了连接的关闭过程。通过 FIN 标志位的交互，TCP 连接的双方能够有序地释放连接资源，确保数据传输的完整性和可靠性。

之所以用A、B而不是客户端、服务器的原因是：

三次握手中主动发送SYN包、请求建立连接的一方叫客户端，被动的叫服务器。

而四次挥手中则不同，无论是客户端或者是服务器都可以主动发送FIN包来表示希望断开连接，因此这里用A、B来表示双方。

第一次挥手：A向B发送FIN包来表示请求断开连接。

第二次挥手：B向A发送ACK包来表示收到请求。

第三次挥手：B向A也发送FIN包来表示请求断开连接。

第四次挥手：A向B发送ACK包来表示收到请求。

3）四次挥手的意义

• 确保数据完整传输：在关闭连接之前，四次挥手可以保证双方都能完成数据的发送和接收，避免数据丢失。例如，当客户端发送 FIN 表示不再发送数据后，服务器可能仍有数据需要发送，服务器会先发送 ACK 确认收到客户端的 FIN，然后继续发送剩余数据，待数据发送完毕后再发送 FIN 给客户端，这样就保证了服务器的数据能够完整地传输到客户端。
• 通知对方关闭连接：通过 FIN 标志位，双方可以明确地通知对方自己希望关闭连接的意图。客户端和服务器在收到对方的 FIN 后，会进行相应的资源释放和状态更新操作，为关闭连接做好准备。
• 实现可靠的连接终止：四次挥手过程中的 ACK 确认机制确保了连接关闭过程的可靠性。每一次的 FIN 都需要对方的 ACK 确认，只有当双方都收到对方的 FIN 和 ACK 后，才能真正关闭连接。如果没有这种确认机制，可能会出现一方认为连接已关闭，而另一方仍在等待数据或进行其他操作的情况，导致连接异常或数据丢失。
• 避免资源浪费：四次挥手使得双方能够在合适的时机释放连接资源，如端口号、缓冲区等。及时释放这些资源可以避免资源的长时间占用，提高系统资源的利用率，以便为其他连接或任务提供服务。

 4）TIME_WAIT和CLOSE_WAIT

主动发起FIN断开连接请求的一方会进入TIME_WAIT状态。

被动发起FIN断开连接请求的一方会进入CLOSE_WAIT状态。

1.TIME-WAIT

TIME-WAIT

• 含义：TIME_WAIT 是主动关闭方在完成最后一次 ACK 发送后的状态。
• 作用：一方面是为了确保连接被动关闭方能够收到最后一个 ACK 确认包，如果被动关闭方未收到该 ACK 而重传 FIN 包，处于 TIME_WAIT 状态的主动关闭方可以及时响应；另一方面是防止在网络中延迟的数据包影响新连接的建立，等待 2MSL（最大报文生存时间）后，可确保旧连接的所有报文都已从网络中消失，避免新连接受到旧连接残留报文的干扰。
• 持续时间：通常持续 2MSL，RFC793 中规定 MSL 的时间为 2 分钟，Linux 实际设置为 30 秒。
• 总的来说，TIME-WAIT状态是为了防止最后一个ACK确认包出现丢包现象，所以主动发起断开连接请求的一方在发送完毕之后，会等待一段时间再断开连接。

2.CLOSE-WAIT

• 含义：CLOSE_WAIT 是连接被动关闭方在收到对方发送的 FIN 请求后，发送 ACK 确认进入的状态。
• 说明：在这个状态下，被动关闭方的应用程序可能还有未处理的数据需要发送，因此需要等待应用程序处理完这些数据后，才能发送 FIN 请求来关闭连接。如果应用程序没有及时关闭连接，可能会导致大量的 CLOSE_WAIT 状态，从而消耗系统资源。
• 总的来说，CLOSE-WAIT是在等待程序员写的应用程序代码来调用close（）方法来断开连接。

5）如果服务器出现大量CLOSE_WAIT状态，可能是什么原因？如何解决？

• 原因：被动方收到FIN后未及时调用close()释放连接（如代码未正确关闭Socket）。

• 解决：

  1. 检查服务端代码，确保FIN被正确处理（如Java的Socket.close()）。

  2. 调整系统参数（如Linux的tcp_fin_timeout）。

6）什么情况下四次挥手会变成三次？

• 当被动方没有数据要发送时，会将第二步的ACK和第三步的FIN合并发送（如HTTP短连接）。

• 示例：

Client       ServerFIN --------><------- ACK+FINACK -------->

7）客户端为什么需要TIME_WAIT，而服务端不需要？

• 客户端TIME_WAIT：主动关闭方需确保最后一个ACK到达，且让旧报文失效。

• 服务端：通常是被动关闭方，收到最后一个ACK后直接关闭连接。