“三次握手”与“四次挥手”：TCP传输控制协议连接过程

目录

什么是TCP协议

“三次握手”建立连接

“四次挥手”断开连接

“三次握手”和“四次挥手”的反思

总结

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什么是TCP协议

想象一下，你和远方的朋友要进行一场电话交流，但这通电话不仅仅是随便聊聊，而是要传递一封重要的信件。为了确保这封信能够完整、准确地传递，你们制定了一系列规则，比如谁先说、如何确认对方听到了、如果听不清怎么办。这些规则，就像是TCP协议（Transmission Control Protocol，传输控制协议）在计算机网络中的作用。

TCP的基本概念

TCP 是一种面向连接的、可靠的、基于流的传输协议，运行在传输层。它主要用于确保数据能完整、准确地从一台计算机传输到另一台计算机，即使网络环境并不稳定。

简单理解：

• 面向连接：就像打电话一样，TCP 需要在数据传输前先建立一条稳定的通信线路（连接）。
• 可靠传输：TCP 确保数据不会丢失、不会重复、不会乱序，就像你确保信件被完整送达。
• 流式传输：TCP 以数据流的方式传输数据，而不是像快递那样一次性把所有内容打包。

“三次握手”建立连接

在TCP通信开始前，必须先建立连接，这就像是打电话时要先拨号、等待对方接听，然后确认对方能听清楚。

当客户端（Client）和服务器（Server）建立TCP连接时，会经历“三次握手”过程。其目的是：

确保客户端和服务器都具备发送和接收能力。

协商初始序列号（ISN，Initial Sequence Number），防止数据包混乱。

假设客户端A想要与服务器B建立连接：

第一次握手（SYN）

• 客户端A发送一个 SYN（同步）数据包给服务器B，请求建立连接。
• 该数据包包含：
  • SYN=1（表示请求建立连接）
  • 初始序列号 ISN(A)（用于数据传输的编号，防止乱序）
• 这时，客户端A进入 SYN_SENT（同步已发送） 状态。

第二次握手（SYN-ACK）

• 服务器B收到SYN请求后，回应一个 SYN-ACK（同步-确认）数据包。
• 该数据包包含：
  • SYN=1（表示服务器同意建立连接）
  • ACK=1（表示确认收到客户端的SYN请求）
  • 服务器的初始序列号 ISN(B)
  • 确认号 ACK=ISN(A)+1（表示已收到客户端的SYN）
• 服务器B进入 SYN_RECV（同步已收到） 状态。

第三次握手（ACK）

• 客户端A收到服务器B的SYN-ACK后，发送一个 ACK（确认）数据包。
• 该数据包包含：
  • ACK=1（确认连接）
  • 序列号 = ISN(A)+1
  • 确认号 ACK=ISN(B)+1（表示已收到服务器的SYN）
• 服务器B收到ACK后，连接正式建立，双方进入 ESTABLISHED（已建立） 状态。

至此，TCP连接成功建立，双方可以开始数据传输。

TCP如何保证数据可靠传输？

TCP 采用了多个机制来确保数据不会丢失、不会重复、不会乱序。

数据包的编号与确认

每个TCP数据包都会有一个序列号（Sequence Number），而接收方会发送确认号（Acknowledgment Number） 来确认收到的数据。

例如：客户端发送 Seq=1000 的数据包，服务器收到后，会回复 Ack=1001，表示已成功接收。

如果服务器没有收到这个数据包，它不会发送 Ack=1001，这样客户端就知道数据丢失了，需要重新发送。

超时重传

如果客户端发送了数据包，但一直没有收到确认（ACK），就会在一定时间后重发数据，直到对方确认收到。

• 这类似于寄快递时，如果包裹长时间未送达，快递员可能会重新派送。

流量控制

TCP 允许接收方通过滑动窗口机制控制数据发送速度，避免发送方数据过快而接收方处理不过来。

例如：如果服务器处理能力有限，它可以告诉客户端“慢点发，我忙不过来了”，客户端就会降低发送速度。

拥塞控制

当网络拥堵时，TCP 会自动降低发送速率，以防止网络进一步恶化。

这就像高速公路上遇到堵车时，大家会自动放慢速度，避免发生更严重的交通事故。

“四次挥手”断开连接

当通信结束时，TCP使用“四次挥手”来关闭连接。其目的是：

1. 确保双方都完成数据传输后，安全地关闭连接。
2. 防止数据丢失，确保所有数据包都被正确接收。

假设客户端A想要断开与服务器B的TCP连接：

第一次挥手（FIN）

• 客户端A发送 FIN（终止）数据包，表示“我不想再发送数据了”。
• 该数据包包含：
  • FIN=1（请求关闭连接）
  • 序列号 seq=U（U是当前数据序列号）
• 客户端A进入 FIN_WAIT_1（终止等待1） 状态。

第二次挥手（ACK）

• 服务器B收到FIN后，发送一个 ACK（确认）数据包。
• 该数据包包含：
  • ACK=1（确认关闭请求）
  • 序列号 = V
  • 确认号 ACK=U+1（确认收到FIN）
• 服务器B进入 CLOSE_WAIT（关闭等待） 状态，等待完成剩余的数据传输。
• 客户端A进入 FIN_WAIT_2（终止等待2） 状态，等待服务器B发送FIN。

第三次挥手（FIN）

• 服务器B数据传输完成后，主动发送 FIN（终止）数据包，表示“我也不想再发送数据了”。
• 该数据包包含：
  • FIN=1（请求关闭）
  • 序列号 seq=W
• 服务器B进入 LAST_ACK（最后确认） 状态，等待客户端的最后ACK。

第四次挥手（ACK）

• 客户端A收到服务器B的FIN后，发送一个 ACK（确认）数据包，表示“确认关闭”。
• 该数据包包含：
  • ACK=1（确认关闭请求）
  • 序列号 = X
  • 确认号 ACK=W+1（确认收到FIN）
• 服务器B收到ACK后，立即进入 CLOSED（关闭） 状态，释放连接。
• 客户端A等待 TIME_WAIT（通常是2倍的MSL时间，默认240秒）后，最终进入 CLOSED 状态，连接彻底关闭。

至此，TCP连接完全关闭，确保所有数据包已经被正确处理。

“三次握手”和“四次挥手”的反思

为什么 TCP 需要三次握手，而不是两次？

两次握手可能会导致已失效的 SYN 报文被服务器误认为是新的连接，从而建立了一个无效连接。而三次握手可以确保双方都明确对方的接收和发送能力。例如，客户端发出的 SYN 因为网络问题被延迟，服务器收到后认为是新的连接请求并建立连接，但客户端并不知情，导致连接状态不同步。
三次握手能够确保：

客户端确认服务器的 接收能力。

服务器确认客户端的 接收能力。

双方都确认了彼此的 发送和接收能力，确保连接有效。

为什么 TCP 需要四次挥手，而不是三次？
因为 TCP 是全双工通信，数据的发送和接收是独立的，一方发出 FIN 只表示它不再发送数据，但仍然可以接收数据，所以另一方要单独再发送 FIN 以表示自己也不再发送数据，这就导致了四次挥手。

为什么A在TIME-WAIT状态必须等待2MSL的时间
MSL最长报文段寿命Maximum Segment Lifetime，MSL=2
这个ACK报文段有可能丢失，使得处于LAST-ACK状态的B收不到对已发送的FIN+ACK报文段的确认，B超时重传FIN+ACK报文段，而A能在2MSL时间内收到这个重传的FIN+ACK报文段，接着A重传一次确认，重新启动2MSL计时器，最后A和B都进入到CLOSED状态，若A在TIME-WAIT状态不等待一段时间，而是发送完ACK报文段后立即释放连接，则无法收到B重传的FIN+ACK报文段，所以不会再发送一次确认报文段，则B无法正常进入到CLOSED状态。
总结：

• 确保 B 已经收到 A 的最后一个 ACK，若 B 没收到，会重发 FIN，A 需要有时间处理。
• 防止历史连接中的旧报文在网络中滞留，影响后续新的连接。

总结

三次握手（TCP 连接建立）

A -> B（SYN）：A 发送 SYN 报文，表示请求建立连接，进入 SYN-SENT 状态。

B -> A（SYN-ACK）：B 收到 SYN 后，发送 SYN-ACK 报文，表示同意建立连接，进入 SYN-RECEIVED 状态。

A -> B（ACK）：A 收到 SYN-ACK 后，发送 ACK 报文，B 进入 ESTABLISHED 状态，A 也进入 ESTABLISHED 状态，连接建立完成。

四次挥手（TCP 连接释放）

A -> B（FIN）：A 发送 FIN 报文，表示不再发送数据，进入 FIN-WAIT-1 状态。

B -> A（ACK）：B 收到 FIN 后，发送 ACK，表示确认，进入 CLOSE-WAIT 状态；A 收到 ACK 后，进入 FIN-WAIT-2 状态。

B -> A（FIN）：B 处理完剩余数据后，发送 FIN 报文，进入 LAST-ACK 状态。

A -> B（ACK）：A 收到 FIN 后，发送 ACK 报文，进入 TIME-WAIT 状态，等待 2MSL；B 收到 ACK 后，进入 CLOSED 状态。

A 进入 CLOSED 状态：等待计时器 2MSL 结束后，A 进入 CLOSED 状态，连接彻底关闭。