TCP/IP三次握手与四次握手

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建立TCP需要三次握手才能建立，而断开连接则需要四次握手。整个过程如下图所示：

先来看看如何建立连接的。

首先Client端发送连接请求报文，Server段接受连接后回复ACK报文，并为这次连接分配资源。Client端接收到ACK报文后也向Server段发生ACK报文，并分配资源，这样TCP连接就建立了。

那如何断开连接呢？简单的过程如下：

【注意】中断连接端可以是Client端，也可以是Server端。

假设Client端发起中断连接请求，也就是发送FIN报文。Server端接到FIN报文后，意思是说"我Client端没有数据要发给你了"，但是如果你还有数据没有发送完成，则不必急着关闭Socket，可以继续发送数据。所以你先发送ACK，"告诉Client端，你的请求我收到了，但是我还没准备好，请继续你等我的消息"。这个时候Client端就进入FIN_WAIT状态，继续等待Server端的FIN报文。当Server端确定数据已发送完成，则向Client端发送FIN报文，"告诉Client端，好了，我这边数据发完了，准备好关闭连接了"。Client端收到FIN报文后，"就知道可以关闭连接了，但是他还是不相信网络，怕Server端不知道要关闭，所以发送ACK后进入TIME_WAIT状态，如果Server端没有收到ACK则可以重传。“，Server端收到ACK后，"就知道可以断开连接了"。Client端等待了2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那好，我Client端也可以关闭连接了。Ok，TCP连接就这样关闭了！

整个过程Client端所经历的状态如下：

而Server端所经历的过程如下：转载请注明:blog.csdn.net/whuslei

【注意】 在TIME_WAIT状态中，如果TCP client端最后一次发送的ACK丢失了，它将重新发送。TIME_WAIT状态中所需要的时间是依赖于实现方法的。典型的值为30秒、1分钟和2分钟。等待之后连接正式关闭，并且所有的资源(包括端口号)都被释放。

【问题1】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。

【问题2】为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态？

答：虽然按道理，四个报文都发送完毕，我们可以直接进入CLOSE状态了，但是我们必须假象网络是不可靠的，有可以最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。

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Req+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。

为什么不能只两次握手？

        有了三次握手的详细步骤，就可以分析为什么需要三次握手而不是两次握手了。

        三次握手的目的：消除旧有连接请求的SYN消息对新连接的干扰，同步连接双方的序列号和确认号并交换TCP 窗口大小信息。

        设想：如果只有两次握手，那么第二次握手后服务器只向客户端发送ACK包，此时客户端与服务器端建立连接。在这种握手规则下： 

        假设：如果发送网络阻塞，由于TCP/IP协议定时重传机制，B向A发送了两次SYN请求，分别是x1和x2，且因为阻塞原因，导致x1连接请求和x2连接请求的TCP窗口大小和数据报文长度不一致，如果最终x1达到A，x2丢失，此时A同B建立了x1的连接，这个时候，因为AB已经连接，B无法知道是请求x1还是请求x2同B连接，如果B默认是最近的请求x2同A建立了连接，此时B开始向A发送数据，数据报文长度为x2定义的长度，窗口大小为x2定义的大小，而A建立的连接是x1，其数据包长度大小为x1，TCP窗口大小为x1定义，这就会导致A处理数据时出错。

        很显然，如果A接收到B的请求后，A向B发送SYN请求y3（y3的窗口大小和数据报长度等信息为x1所定义），确认了连接建立的窗口大小和数据报长度为x1所定义，A再次确认回答建立x1连接，然后开始相互传送数据，那么就不会导致数据处理出错了。    

        SYN攻击：

        在三次握手过程中，Server发送SYN-ACK之后，收到Client的ACK之前的TCP连接称为半连接（half-open connect），此时Server处于SYN_RCVD状态，当收到ACK后，Server转入ESTABLISHED状态。SYN攻击就是Client在短时间内伪造大量不存在的IP地址，并向Server不断地发送SYN包，Server回复确认包，并等待Client的确认，由于源地址是不存在的，因此，Server需要不断重发直至超时，这些伪造的SYN包将产时间占用未连接队列，导致正常的SYN请求因为队列满而被丢弃，从而引起网络堵塞甚至系统瘫痪。SYN攻击时一种典型的DDOS攻击，检测SYN攻击的方式非常简单，即当Server上有大量半连接状态且源IP地址是随机的，则可以断定遭到SYN攻击了，使用如下命令可以让之现行：

                #netstat -nap | grep SYN_RECV

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：

图3 TCP四次挥手

        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。

        上面是一方主动关闭，另一方被动关闭的情况，实际中还会出现同时发起主动关闭的情况，具体流程如下图：

图4 同时挥手

        流程和状态在上图中已经很明了了，在此不再赘述，可以参考前面的四次挥手解析步骤。

四、附注

        关于三次握手与四次挥手通常都会有典型的面试题，在此提出供有需求的XDJM们参考：

        （1）三次握手是什么或者流程？四次握手呢？答案前面分析就是。

        （2）为什么建立连接是三次握手，而关闭连接却是四次挥手呢？

        这是因为服务端在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时，当收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，己方也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即close，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送。