TCP协议“三次握手”与“四次挥手”详解（上）

　　在使用TCP协议进行数据的传输之前，客户端与服务器端需要建立TCP Connection，即建立连接，之后两端才能进行数据的传输。

　　下面堆TCP连接“三次握手”的过程进行说明。

1、相关概念

　　首先，我们需要了解TCP数据报的首部的结构（TCP数据报包括首部以及数据报部分），如下图：

其中需要注意的字段有：

（1）序号（sequence number）：seq序号，占32位4个字节。从TCP源端向目的端发送的字节流数据，发起方发送数据报文时对每一个字节进行编号标记，每一个字节都会有一个编号（0 到 2³²-1）。给报文每个字节编上序号后，需要给报文指派一个序号seq，报文数据段的第一个字节的编号值，就是这段报文TCP首部序号seq的值。

（2）确认号（acknowledgement number）：ack序号，占32位4个字节。表示期待收到对方下一个报文段的序号，那么第一次收到的报文段最后一个字节的编号+1即为确认号。比如第一段报文seq=1（报文第一个字节编号1），报文长度是100，即报文最后一个字节编号为100。确认端接收到发起端发送的报文后，返回给发起端的响应TCP报文中，ACK=1，ack=101，表示发起端发送的1-100编号的字节数据已经收到，希望发起端下一个报文从101编号的字节开始发送。

　　注意，只有TCP报文的ACK标志位为1时，这个报文中的确认序号字段才有效。

（3）标志位（Flags）：TCP标志物有6位，具体如下图

i）确认ACK：占1位，仅当ACK=1时，确认号字段才有效；ACK=0时，确认号无效 。

ii）同步SYN：用于建立连接的同步标记。当SYN=1，ACK=0时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得SYN=1，ACK=1。因此，SYN=1表示这是一个连接请求报文。　　

iii）终止FIN：用来释放一个连接。FIN=1表示此报文段的客户端的数据已经发送完毕，并要求释放连接。

　　这里需要注意2点：

1）不要混淆ACK标志位与ack确认号；

2）SYN这个标志位只有在TCP创建连接时才会被置1，握手完成后SYN标志位被置0。

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2、三次握手过程

　　过程如下图：

　　

　　注意，此处所谓的“客户端”与“服务器端”，只是为了方便标识连接的双方，即确认哪一方是“要求断开连接”的主动方，哪一方是“要求断开连接”的被动方。事实上任何一方都可能要求建立连接。

步骤如下：

1）首先客户端向服务器端发送一段TCP报文，其中：

　　i）标记位为SYN=1，表示“请求建立新连接”；

　　ii）序号为 seq = x，表示客户端发送给服务器端的数据报文的序号是 x ，即数据报文的第一个字节的编号为 x。注意，建立连接的SYN报文虽然没有数据，但是会占用一个序号的大小；

　　iii）此时，客户端进入 SYNC-SENT 状态：同步已发送状态。

2）服务器端接收到来自客户端 TCP 报文之后，返回一段TCP报文，其中：

　　i）标志位为 SYN 和 ACK ，ACK=1 是确认标志，表示 “确认客户端的报文seq序号有效，服务器端能正常接收客户端发送的数据。即告诉客户端，服务器端收到了它的请求报文”，SYN=1 是请求连接标志，表示“服务器端同意创建新连接”。ACK与SYN 合起来，就是告诉客户端，服务器端 收到了你的数据，同意与你建立连接；

　　ii）ack=x+1，表示希望客户端下一次发送回来的数据报序号是 x+1；

　　iii）seq = y，服务器端向客户端发送自己的数据报，序号是 y。

　　iv）同时，服务器端结束 LISTEN 监听阶段，进入 SYNC-RCVD 同步已接收状态。

3）客户端接收到来自服务器端的确认收到数据的TCP报文之后，明确了从客户端到服务器端的数据传输是正常的，可以建立连接。返回一段TCP报文，其中：

　　i）标志位为ACK，表示 “确认收到服务器端同意连接的信号”（即告诉服务器端，我知道你收到我发的数据了）；

　　ii）seq=x+1，表示向服务器端发送序号为x+1的数据，根据第二次握手的 ack=x+1，将seq设置为 x+1；

　　iii）ack=y+1，表示希望服务器端下一次发送回来的数据报序号为y+1。

　　iv）随后它会进入 ESTABLISHED 建立连接阶段。

4）服务器端在接收到客户端发送的第三次握手的数据后，也会进入 ESTABLISHED 建立连接阶段。

　　在“三次握手”中，通过第一、第二次握手的SYN，客户端与服务器端建立连接；而且通过第二、第三次握手的ACK，双方都确认对方已经收到自己的报文。客户端与服务器端的 ack 与 seq 的值，都是在对方 ack 与 seq 值的基础上计算的，即通过“三次握手”，客户端与服务器端也同步了各自的序号与确认号。这样做保证了TCP报文的连贯性，一旦有一方的报文丢失，另一方便无法正确“握手”（因为想正确握手，发出的 seq 需要与对方发来的 ack 相同）。

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3、为什么要进行“三次握手”才能建立TCP连接

　　原因：避免已经失效的连接请求报文传送到服务器端，导致服务器端开启一些无效的连接，增加服务器端开销。
　　分析如下图：

　　如果是三次握手，就可以避免上面这种情况的发生，如下图：

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 4、扩展 

　　在客户端与服务器端建立连接之后，在这个连接上，客户端与服务器端之间可以发送的HTTP请求数量与使用的HTTP协议的版本相关。

1）HTTP1.0版本：TCP连接是在HTTP请求创建的时候同步创建的，HTTP请求发送到服务器端，服务器端响应了之后，这个TCP连接就关闭了。即一次连接只能发送一次HTTP请求；

2）HTTP1.1版本：三次握手建立TCP连接后，以某种方式声明这个连接一直保持，后面的HTTP请求可以继续使用这个连接。

　　由于在创建一个TCP连接的过程中需要“三次握手”的性能消耗。如果每次HTTP请求都要重新建立TCP连接，那么每次HTTP请求都有“三次握手”的性能消耗。如果使用HTTP1.1，只有第一次请求需要建立连接，后面的请求不需要建立连接，则只有一次“三次握手”的消耗。