TCP的连接管理

三次握手

什么是三次握手？

1. 第一次握手（客户端 → 服务器）

• 客户端发送一个 SYN 报文，请求建立连接。

• 报文中包含一个初始序列号 SEQ = x。

• 表示：我想和你建立连接，我的序列号是 x。

2. 第二次握手（服务器 → 客户端）

• 服务器收到请求后，回复一个带 SYN 和 ACK 的报文。

• 包含服务器的初始序列号 SEQ = y 和对客户端的确认号 ACK = x + 1。

• 表示：我同意连接，我的序列号是 y，同时确认你发的序列号 x。

3. 第三次握手（客户端 → 服务器）

• 客户端收到服务器的确认后，发送一个 ACK 报文。

• 报文中 SEQ = x + 1, ACK = y + 1。

• 表示：我收到你的回应了，一切就绪，我们开始传数据吧。

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🤝 举个例子：两个人打电话

你（客户端）想给朋友（服务器）打电话聊天，要确认两件事：

1. 你能听到对方的声音

2. 对方也能听到你的声音

于是过程是这样的：

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✅ 第一次握手：

你打电话说：“喂，你在吗？”（SYN）

—— 你告诉对方：“我准备好了，可以通话。”

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✅ 第二次握手：

朋友接到电话，说：“我在，我也准备好了！”（SYN + ACK）

—— 他告诉你：“我听到了你说的话，而且我也准备好了。”

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✅ 第三次握手：

你说：“好，我也听到你了，我们开始聊吧！”（ACK）

—— 你再确认一遍：“咱俩都听得见了，正式开始！”

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📌 为什么要三次？

• 如果只打两次招呼，比如你说“喂”，对方说“在”，你没回应，那他不知道你到底有没有听到。

• 三次握手让双方都确认彼此听得见，才不会“各说各话”。

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四次挥手

① 第一次挥手（主动关闭方发送 FIN 报文）

• 主动关闭方（通常为客户端）发送一个 FIN（Finish）标志位为1 的报文段，表示其已无数据要发送，请求关闭连接。

• 此时，主动方进入 FIN_WAIT_1 状态。

② 第二次挥手（被动关闭方确认 ACK）

• 被动关闭方（通常为服务器）接收到该 FIN 报文后，立即发送一个 ACK 确认报文，确认序号为收到的序列号加一。

• 此时，被动方进入 CLOSE_WAIT 状态，主动方收到 ACK 后进入 FIN_WAIT_2 状态。

• 表示连接的一端（主动方）已关闭发送功能，但仍可接收数据。

③ 第三次挥手（被动关闭方发送 FIN 报文）

• 当被动关闭方确认其数据已发送完毕后，向主动方发送一个 FIN 报文段，请求断开连接。

• 被动方进入 LAST_ACK 状态。

④ 第四次挥手（主动关闭方确认 ACK）

• 主动关闭方接收到该 FIN 报文后，回复一个 ACK 报文，确认序号为收到的序列号加一。

• 然后主动方进入 TIME_WAIT 状态，等待 2 倍最大报文段寿命时间（2MSL）以确保对方收到 ACK。

• 最终，主动方进入 CLOSED 状态，连接完全关闭。

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📌 设计四次挥手的原因：

1. TCP 是全双工通信，需要双方分别关闭各自的发送通道，因此每一端都需发送 FIN 和 ACK。

2. 四次握手可确保所有未传输完的数据被接收方完整接收，防止数据丢失。

3. 引入 TIME_WAIT 状态是为了应对 ACK 报文丢失而可能引起的重复 FIN 报文问题。

🔚 四次挥手是干什么的？

三次握手是“我们开始聊天”，
四次挥手就是“我们聊完了，要挂电话”。

但为什么要挥手四次呢？因为TCP是全双工通信：
客户端和服务器各自都要说一声“我说完了”，所以要四步！

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🤝 举个例子：两个人通完电话，要挂断

✅ 第一次挥手（客户端 → 服务器）

你说：“我说完了，不讲了”（FIN=1）

—— 表示你不想再发消息了，但你还能接收对方的消息。

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✅ 第二次挥手（服务器 → 客户端）

朋友说：“好的，我知道你说完了。”（ACK = 1）

—— 表示他收到了你的“我说完了”。

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✅ 第三次挥手（服务器 → 客户端）

朋友再说：“我也说完了。”（FIN = 1）

—— 表示他也不再发消息了。

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✅ 第四次挥手（客户端 → 服务器）

你说：“好的，我知道你也说完了。”（ACK = 1）

—— 表示你收到了他的“我说完了”，双方都确认了。

至此，连接正式断开。

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❓为什么不是一次说“咱都不说了”就断？

因为 TCP 要确保双方都“完整地接收了对方要说的最后一句话”。
所以你得等对方也说完，再确认，才能挂电话 —— 这就是四次挥手的意义。

保活计时器（Keep-Alive Timer）

是 TCP 协议中的一种机制，用于检测一个连接是否仍然存活，即使长时间没有数据传输。

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✅ 通俗理解：

就像两个人打电话时很久不说话，你会问一句：“你还在吗？”
如果对方不回答，你就知道对方已经断线了。

这就是TCP的保活机制在做的事。

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📘 学术定义：

保活计时器（Keep-Alive Timer） 是一种在 TCP 空闲连接期间定期发送探测报文（Keep-Alive Probe）的小型数据包的机制，用以确认对方是否仍保持连接。如果多次发送探测包都未收到响应，则认为连接已断开，并关闭连接。

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🔁 工作机制：

1. TCP连接建立后，如果一段时间内没有任何数据传输（默认是2小时），TCP 会启动保活计时器。

2. 保活计时器触发后，客户端会发送一个 保活探测包（其实就是一个带 ACK 的空包）。

3. 如果服务器：

   • 回应了（发送 ACK）→ 连接正常，计时器重新计时。

   • 没有回应 → TCP 会重试若干次（如默认5次或10次）。

4. 连续探测失败 → TCP 判断连接已经断开，关闭连接，通知应用层。