深入浅出理解TCP三次握手与四次挥手

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引言

在计算机网络中，TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议） 是一种可靠的面向连接的协议，广泛应用于Internet的通信中。理解TCP中的三次握手和四次挥手机制，是掌握网络通信基础的重要环节。本文将深入浅出地介绍三次握手与四次挥手的工作原理。

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1.为什么需要三次握手？

在通信开始时，TCP需要在客户端和服务器之间建立可靠的连接，确保双方准备好接收和发送数据。为此，TCP使用了三次握手的过程。这个握手的目的包括以下几点：

• 确保双方都收到了对方的消息，建立可靠的连接。
• 允许双方协商初始化序列号（Initial Sequence Number, ISN），以确保数据传输中的每一字节都有序。

2. 三次握手的过程

三次握手的具体过程如下：

1. 第一次握手（SYN）
   客户端发送一个SYN（Synchronize Sequence Numbers）报文给服务器，请求建立连接。这个报文包含了客户端的初始序列号ISN(c)，表示客户端希望开始通信。

   • 客户端状态：SYN_SENT

2. 第二次握手（SYN-ACK）
   服务器接收到客户端的SYN报文后，响应一个SYN-ACK报文。这个报文既包含服务器的初始序列号ISN(s)，也确认了客户端的ISN(c)。

   • 服务器状态：SYN_RCVD

3. 第三次握手（ACK）
   客户端收到SYN-ACK报文后，发送一个ACK报文确认服务器的序列号ISN(s)，至此三次握手完成，双方进入连接建立状态。

   • 客户端状态：ESTABLISHED
   • 服务器状态：ESTABLISHED

此时，连接已建立，双方可以开始传输数据。

3. 为什么需要四次挥手？

TCP不仅通过三次握手建立连接，还通过四次挥手来终止连接。由于TCP连接是全双工的（即双方可以同时发送和接收数据），因此关闭连接时需要双方分别关闭各自的数据传输通道。

4. 四次挥手的过程

1. 第一次挥手（FIN）
   客户端发送一个FIN（Finish）报文，表示它完成了数据传输，并希望关闭到服务器方向的连接。

   • 客户端状态：FIN_WAIT_1

2. 第二次挥手（ACK）
   服务器接收到客户端的FIN报文后，回复一个ACK报文，表示已收到关闭请求，但仍可能有未完成的数据需要发送。

   • 服务器状态：CLOSE_WAIT
   • 客户端状态：FIN_WAIT_2

3. 第三次挥手（FIN）
   服务器发送完所有数据后，发送一个FIN报文，表示可以关闭连接。

   • 服务器状态：LAST_ACK

4. 第四次挥手（ACK）
   客户端收到服务器的FIN报文后，回复一个ACK报文，确认连接终止。此时，客户端进入TIME_WAIT状态，确保服务器收到了ACK，并等待一段时间后完全关闭连接。

   • 客户端状态：TIME_WAIT
   • 服务器状态：CLOSED

5. 为什么挥手需要四次，而握手只需三次？

挥手需要四次的原因在于TCP连接的全双工性质。握手时，双方同步建立连接，发送方向和接收方向是对等的。而在挥手过程中，双方的关闭操作是独立的，一个方向关闭并不意味着另一个方向也可以立即关闭，因此需要额外的报文确认。

6. 三次握手与四次挥手的时序图

下面是一个简化的时序图，帮助大家理解三次握手和四次挥手的交互过程：

三次握手:
客户端      服务器|            || SYN        || ---------->||            ||    SYN-ACK ||<---------- ||            ||    ACK     || ---------->|| 连接建立    |四次挥手:
客户端      服务器|            ||    FIN     || ---------->||            ||    ACK     ||<---------- ||            ||    FIN     ||<---------- ||            ||    ACK     || ---------->|| 连接关闭    |

7. TIME_WAIT状态的意义

TIME_WAIT是TCP连接关闭过程中最后的一个重要状态。客户端在发送最后的ACK后进入TIME_WAIT，保持一段时间（一般为2倍的最大报文生存时间，即2MSL），确保服务器收到了ACK。如果在此期间服务器没有重发FIN报文，客户端才会真正关闭连接。

TIME_WAIT的主要作用有两点：

1. 防止丢失的报文干扰后续连接。TIME_WAIT确保旧连接的报文不会影响新连接。
2. 确保ACK可靠传输。客户端可能需要重新发送ACK确认服务器的FIN报文，因此需要保持连接一段时间。

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8. 总结

通过三次握手，TCP确保双方能够可靠地建立连接，开始数据传输；通过四次挥手，TCP安全地终止连接，避免数据丢失和混乱。理解三次握手和四次挥手机制不仅有助于我们深入掌握TCP协议，还能帮助我们在网络调试与优化中，正确分析和解决连接问题。

这个过程虽然看似简单，但其背后蕴含了许多设计上的精妙之处，比如对序列号的管理、对状态的控制以及对数据传输可靠性的保证。

希望这篇文章能帮助你更好地理解TCP中的三次握手与四次挥手！

9.面试时候问到什么是三次握手和四次挥手

在面试中，如果被问到TCP的三次握手和四次挥手，可以简洁明了地回答：

三次握手是为了建立可靠的连接，客户端和服务器通过SYN和ACK报文进行序列号的同步，确保双方都能够正确接收和发送数据。握手的三次分别是：客户端发送SYN，服务器响应SYN-ACK，客户端再确认ACK，连接建立。
四次挥手是用于断开连接，由于TCP是全双工通信，双方的数据通道需要分别关闭，因此客户端和服务器会各自发送FIN和ACK报文，确保连接的双向关闭。挥手的四次则是客户端和服务器分别发送和确认FIN报文，最终安全断开连接。

这种介绍简要概括了流程和目的，展示了你对TCP连接机制的理解。