浅析TCP三次握手及四次挥手

1. 三次握手

　　1. TCP为什么相较于UDP是可靠连接?

　　　　可靠连接是指，待通信的两个实体，能够满足通信数据包的有序性、完整性以及可靠性。对于UDP来说，它的连接过程不需要握手，忽略丢失的数据包，并且不需要维持通信双方在线（即服务器端不需要维持巨大的并发连接）。而TCP在传递数据之前，会经历三次握手来确保通信的两个实体均处于ESTANLISHED状态，另外还采用校验和、序列号、确认应答、超时重传、拥塞控制、拥塞避免等控制方法，以此来确保数据的可靠传输。

　　2. 三次握手的本质

　　　　三次握手的本质在于确保通信双方收到彼此请求/接收通信的确认消息

　　　　这里我们以电话拨号到通话为例，假设A给B通电话，那么其过程如下：

　　　　A. 拨号，（请求与B通话）

　　　　B. 拿起电话并接听，“喂！您哪位？”，（希望确认A的身份）

　　　　A. 收到对方询问身份，并回复“我是A啊”, （回传身份确认消息）

　　　　B. 收到回复，并确认了A的身份，开始尬聊

　　3. 三次握手的过程

　　　　第一次握手：客户端主动请求建立连接。客户端发送连接请求报文段，将SYN首部标志位置为1， Seq(Sequence Number)为X（由操作系统动态随机选取一个32位长（8字节）的系列号。随后客户端进入SYN_SEND状态，并等待服务器端的确认。

　　　　第二次握手：服务器收到客户端SYN请求，并发送被动连接请求。服务器收到第一次握手过程中接收的SYN，需要向客户端发送一个确认号ACK（收到的Seq序列号长度自增1），此外，还需将被动请求连接请求发送给客户端，及SYN=1，最后再从操作系统随机分配一个8字节长度的序列号用于填充Seq，将以上信息发送给客户端之后，服务器端便进入SYN_RECV状态。等待来自客户端的响应请求确认。

　　　　第三次握手：客户端收到服务器的被动连接请求，并发送确认号。客户端收到SYN&Seq&ACK之后，发送确认请求，ACK为接收的Seq序列号自增1，Seq为接收的ACK确认号。至此TCP便完成了三次握手。

　　　　- URG: 此标志表示TCP包的紧急指针域（有效，用来保证TCP连接不被中断，并且督促中间层设备要尽快处理这些数据。

　　　　- ACK: 此标志表示应答域有效，就是说前面所说的TCP应答号将会包含在TCP数据包中。有两个取值: 0和1，为1的时候表示应答域有效，反之为0。

　　　　- PSH: 这个标志位表示Push操作。所谓Push操作就是指在数据包到达接收端以后，立即传送给应用程序，而不是在缓冲区中排队。

　　　　- RST: 这个标志表示连接复位请求。用来复位那些产生错误的连接，也被用来拒绝错误和非法的数据包。

　　　　- SYN: 表示同步序号，用来建立连接。SYN标志位和ACK标志位搭配使用，当连接请求的时候，SYN=1，ACK=0。连接被响应的时候，SYN=1，ACK=1。这个标志的数据包经常被用来进行端口扫描。扫描者发送一个只有SYN的数据包，如果对方主机响应了一个数据包回来，就表明这台主机存在这个端口。但是由于这种扫描方式只是进行TCP三次握手的第一次握手，因此这种扫描的成功表示被扫描的机器不很安全，一台安全的主机将会强制要求一个连接严格的进行TCP的三次握手。

　　　　- FIN: 表示发送端已经达到数据末尾，也就是说双方的数据传送完成，没有数据可以传送了，发送FIN标志位的TCP数据包后，连接将被断开。这个标志的数据包也经常被用于进行端口扫描。

　　4. 为什么是3次握手，而不是2次或者4次？

在谢希仁著《计算机网络》第四版中讲“三次握手”的目的是
“为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端，因而产生错误”。
在另一部经典的《计算机网络》一书中讲“三次握手”的目的是为了解决“网络中存在延迟的重复分组”的问题。
这两种不同的表述其实阐明的是同一个问题。
谢希仁版《计算机网络》中的例子是这样的，
“已失效的连接请求报文段”的产生在这样一种情况下：
client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某个网络结点长时间的滞留了，
以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。本来这是一个早已失效的报文段。
但server收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。
于是就向client发出确认报文段，同意建立连接。假设不采用“三次握手”，那么只要server发出确认，新的连接就建立了。
由于现在client并没有发出建立连接的请求，因此不会理睬server的确认，也不会向server发送数据。
但server却以为新的运输连接已经建立，并一直等待client发来数据。这样，server的很多资源就白白浪费掉了。
采用“三次握手”的办法可以防止上述现象发生。
例如刚才那种情况，client不会向server的确认发出确认。
server由于收不到确认，就知道client并没有要求建立连接。”

　　我们也可以假想一下，如果是两次握手，那么客户端向服务端发送请求连接SYN这是第一次握手，服务器向客户端发送确认收到SYN的请求这是第二次握手，此时问题就来了，结果就是只要服务器发送一个确认报文给客户端，那么就代表连接建立了，但是网络信道是不可靠的，很容易碰到高时延的情况发生，假设一个来自客户端本就失效的连接报文（SYN）经过很长时间到达了服务器端（客户端早已断开连接），此时服务器按照流程返回一个确认号，便进入了ESTABLISHED状态，这样一来服务器状态与客户端状态便不一致了，假设有多个这样的情况发生，操作系统内存很容易崩溃。

　　说完了两次，那么四次呢？四次握手其实是可以的。其与三次握手的相同之处在于，必须收到彼此的对应请求报文的确认号才进入ESTABLISHED状态。但是，四次握手不必要，他将第二次握手的ACK与SYN分两次进行发送了，其结果就是连接速度效率低。

　　因此采用建立TCP连接三次握手是必要的。

2.四次挥手

　　1. 四次挥手过程

　　　　四次挥手不存在Client及Server的说法，因为客户端及服务器都能够主动关闭连接。

　　　　第一次挥手：主动方主动提出关闭连接。当主动方发送断开连接请求（FIN=1, Seq=X）给被动方之后，主动方由ESTABLISHED状态转为FIN-WAIT-1状态等待来自服务器的确认消息。

　　　　第二次挥手：被动方收到来自主动方的FIN请求，被动方关闭应用层的应用程序，响应一个确认报文（ACK=x+1, Seq=y），并进入CLOSE-WAIT状态。

　　　　第三次挥手：被动方发送被动断开连接请求给主动方。但此时可能出现应用程序有些TCP消息已经存在于被动方的发送队列中，这部分数据仍能参与传送，所以等到数据发送完毕之后，被动方才发送被动断开连接请求（FIN=1， Seq=m，ACK=x+1），并等待主动方确认，进入LAST-ACK状态。

　　　　第四次挥手：主动方接收到被动方发送来的被动断开连接请求，主动方发送确认（ACK=m+1, seq=x+1），注意第四次挥手的Seq字段为第二次挥手的ACK字段的值。

　　2. 为什么连接的时候是3次，握手就是四次呢？

　　　　这是因为在第二次挥手的时候，被动方接收到来自主动方的主动断开连接请求，随即进入CLOSE-WAIT状态，为什么会存在这一个状态呢？是因为TCP通信过程中，其发送窗口仍存在该应用程序待发送的数据报文，必须等待这些报文全部发送完毕之后，才能够发送被动断开连接请求。所以将FIN及ACK分两次进行。

　　3. 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？

　　　　（补充：2MSL为最大报文段生存时间，代表发送到接收的最大时间）网络信道是不可靠的，随时都有可能发生请求超时的情况，假设第四次握手时，主动方发送的ACK确认报文丢失或超时，那么被动方由于不能收到该确认报文，它就会又发送一个第三次握手的被动断开连接报文（FIN=1........），此时在TIME_WAIT状态下，主动方收到被动方的FIN请求，便开始重传ACK报文给被动方。因此，TIME-WAIT的意义就在于出现确认报文丢包时，能够重传确认报文。