一文彻底搞懂 TCP三次握手、四次挥手

1. TCP/IP 模型

TCP/IP 协议族将网络通信过程抽象化为四个层次，分别是：

应用层：为用户提供所需要的各种服务，例如：FTP、Telnet、DNS、SMTP等。
传输层：提供可靠的连接服务，保证数据的传输顺序和完整性。TCP 和 UDP 是传输层的两个主要协议。
网络层：负责数据包的路由选择，将数据包从源主机传输到目的主机。IP 协议是网络层的主要协议。
数据链路层：负责数据包的传输，包括数据包的封装、拆封、差错检测和纠正等。以太网、令牌环网等都是数据链路层的协议。

TCP三次握手会涉及到状态转换，TCP的状态转换图如下：

2. TCP头部结构

下面的图是TCP头部的规范定义，它定义了TCP协议如何读取和解析数据：

TCP首部承载这TCP协议需要的各项信息，下面我们来分析一下：

TCP端口号
TCP的连接是需要四个要素确定唯一一个连接：
（源IP，源端口号）+ （目地IP，目的端口号）
所以TCP首部预留了两个16位作为端口号的存储，而IP地址由上一层IP协议负责传递
源端口号和目地端口各占16位两个字节，也就是端口的范围是2^16=65535
另外1024以下是系统保留的，从1024-65535是用户使用的端口范围

TCP的序号和确认号：
32位序号 seq：Sequence number 缩写seq ，TCP通信过程中某一个传输方向上的字节流的每个字节的序号，通过这个来确认发送的数据有序，比如现在序列号为1000，发送了1000，下一个序列号就是2000。
32位确认号 ack：Acknowledge number 缩写ack，TCP对上一次seq序号做出的确认号，用来响应TCP报文段，给收到的TCP报文段的序号seq加1。

TCP的标志位
每个TCP段都有一个目的，这是借助于TCP标志位选项来确定的，允许发送方或接收方指定哪些标志应该被使用，以便段被另一端正确处理。
用的最广泛的标志是 SYN，ACK 和 FIN，用于建立连接，确认成功的段传输，最后终止连接。

1. SYN：简写为S，同步标志位，用于建立会话连接，同步序列号；

2. ACK：简写为A，确认标志位，对已接收的数据包进行确认；

3. FIN：简写为F，完成标志位，表示我已经没有数据要发送了，即将关闭连接;

4. PSH：简写为P，推送标志位，表示该数据包被对方接收后应立即交给上层应用，而不在缓冲区排队；

5. RST：简写为R，重置标志位，用于连接复位、拒绝错误和非法的数据包；

6. URG：简写为U，紧急标志位，表示数据包的紧急指针域有效，用来保证连接不被阻断，并督促中间设备尽快处理；

3. TCP三次握手建立连接

TCP传递给IP层的信息单位称为报文段或段，下面都用段做单位。

TCP三次握手如图：

3.1 第一次握手

客户端给服务器发送一个SYN段(在 TCP 标头中 SYN 位字段为 1 的 TCP/IP 数据包), 该段中也包含客户端的初始序列号(Sequence number = J)。

SYN是同步的缩写，SYN 段是发送到另一台计算机的 TCP 数据包，请求在它们之间建立连接

3.2 第二次握手

服务器返回客户端 SYN +ACK 段(在 TCP 标头中SYN和ACK位字段都为 1 的 TCP/IP 数据包)， 该段中包含服务器的初始序列号(Sequence number = K)；同时使 Acknowledgment number = J + 1来表示确认已收到客户端的 SYN段(Sequence number = J)。

ACK 是“确认”的缩写。 ACK 数据包是任何确认收到一条消息或一系列数据包的 TCP 数据包

3.3 第三次握手

客户端给服务器响应一个ACK段(在 TCP 标头中 ACK 位字段为 1 的 TCP/IP 数据包), 该段中使 Acknowledgment number = K + 1来表示确认已收到服务器的 SYN段(Sequence number = K)。

为什么需要三次握手？
我们假设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。

所以，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。

TCP 三次握手跟现实生活中的人与人打电话是很类似的：

三次握手：
“喂，你听得到吗？”
“我听得到呀，你听得到我吗？”
“我能听到你，今天 balabala……“

经过三次的互相确认，大家就会认为对方对听的到自己说话，并且愿意下一步沟通，否则，对话就不一定能正常下去了。

4. TCP 四次挥手关闭连接

四次挥手即终止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。由于TCP连接是全双工的，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。
四次挥手过程的示意图如下：

四次挥手过程：

1. 客户端发送第一次挥手，之后由 ESTABLISHED 状态转为 FIN_WAIT1 状态；
2. 服务器收到客户端的第一次挥手之后，发送第二次挥手给服务器，服务器进入 CLOSE_WAIT 状态，等待服务器自身的 SOCKET 关闭等处理；
3. 客户端收到服务器的第二次挥手，进入 FIN_WAIT2 状态，等待服务器关闭；
4. 服务器发送第三次挥手，然后进入 LAST_ACK 状态；
5. 客户端收到第三次挥手，发送第四次挥手，客户端进入 TIME_WAIT 状态；
6. 服务器收到第四次挥手，进入 CLOSED 状态，客户端等待 2MSL 后，进入 CLOSED 状态。

TCP 状态转换过程见下图：