TCP的三次握手和四次挥手

一、TCP三次握手

（一）背景

TCP（传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。三次握手是TCP协议用来建立可靠连接的过程。它确保了通信双方在建立连接时能够正确地发送和接收数据。

（二）三次握手的过程

1. 第一次握手（SYN）

   • 发起方：客户端
   • 动作：客户端向服务器发送一个TCP报文段，这个报文段的标志位中的SYN（同步序列编号）被置为1。同时，客户端会随机选择一个初始序列号（ISN，Initial Sequence Number），这个序列号会随着数据的传输而递增，用于保证数据传输的可靠性。例如，客户端选择的初始序列号为X。
   • 目的：客户端通过这个报文段告诉服务器，它想要建立一个连接，并且通过初始序列号来标识这个连接。
   • 状态变化：客户端从CLOSED（关闭状态）变为SYN - SENT（同步已发送状态）。

2. 第二次握手（SYN - ACK）

   • 发起方：服务器
   • 动作：服务器收到客户端的SYN报文段后，会确认客户端的请求。它会发送一个TCP报文段作为响应。这个报文段有两个标志位被置为1，SYN和ACK（确认）。服务器会将客户端的初始序列号X加1（X + 1）作为确认号（acknowledgment number），表示它已经收到了客户端的序列号X。同时，服务器也会随机选择自己的初始序列号Y。
   • 目的：服务器通过这个报文段告诉客户端，它已经收到了客户端的连接请求，并且同意建立连接。同时，服务器也向客户端发送自己的初始序列号，以便客户端能够确认服务器的连接请求。
   • 状态变化：服务器从CLOSED变为SYN - RCVD（同步已接收状态）。

3. 第三次握手（ACK）

   • 发起方：客户端
   • 动作：客户端收到服务器的SYN - ACK报文段后，会发送一个TCP报文段作为确认。这个报文段的ACK标志位被置为1。客户端会将服务器的初始序列号Y加1（Y + 1）作为确认号，表示它已经收到了服务器的序列号Y。此时，连接建立完成，客户端和服务器可以开始传输数据。
   • 目的：客户端通过这个报文段确认了服务器的连接请求，使得连接建立过程完成。
   • 状态变化：客户端从SYN - SENT变为ESTABLISHED（已建立状态），服务器从SYN - RCVD也变为ESTABLISHED。

（三）三次握手的作用

• 防止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：如果没有三次握手，当一个旧的连接请求报文段突然又传送到了服务端，服务端可能会误以为是一个新的连接请求，从而建立一个无效的连接。而通过三次握手，服务端可以通过客户端的确认来判断这个连接请求是否有效。
• 确保通信双方的发送和接收能力正常：在三次握手的过程中，客户端和服务器都发送和接收了报文段，这可以确保双方的网络连接是正常的，能够正常地发送和接收数据。

二、TCP四次挥手

（一）背景

当TCP连接完成数据传输任务后，需要释放连接。四次挥手就是TCP协议用来释放连接的过程。它能够保证数据传输的完整性，并且确保通信双方都能够正确地关闭连接。

（二）四次挥手的过程

1. 第一次挥手（FIN）

   • 发起方：通常是客户端（也可以是服务器，取决于谁先完成数据传输）
   • 动作：客户端在数据传输完成后，会向服务器发送一个TCP报文段，这个报文段的标志位中的FIN（结束）被置为1。同时，客户端会发送一个序列号（假设为Z）。这表示客户端已经完成了数据的发送，不再发送数据了。
   • 目的：客户端通知服务器，它已经完成了自己的数据发送任务，希望关闭连接。
   • 状态变化：客户端从ESTABLISHED变为FIN - WAIT - 1（终止等待1状态）。

2. 第二次挥手（ACK）

   • 发起方：服务器
   • 动作：服务器收到客户端的FIN报文段后，会发送一个TCP报文段作为确认。这个报文段的ACK标志位被置为1。服务器会将客户端的序列号Z加1（Z + 1）作为确认号，表示它已经收到了客户端的结束请求。
   • 目的：服务器通过这个报文段确认客户端的结束请求，告诉客户端它已经收到了关闭连接的请求。
   • 状态变化：服务器从ESTABLISHED变为CLOSE - WAIT（关闭等待状态），此时服务器仍然可以向客户端发送数据。

3. 第三次挥手（FIN）

   • 发起方：服务器
   • 动作：当服务器也完成了数据的发送后，它会向客户端发送一个TCP报文段，这个报文段的FIN标志位被置为1。同时，服务器也会发送一个序列号（假设为W）。
   • 目的：服务器通知客户端，它也完成了数据的发送，希望关闭连接。
   • 状态变化：服务器从CLOSE - WAIT变为LAST - ACK（最后确认状态）。

4. 第四次挥手（ACK）

   • 发起方：客户端
   • 动作：客户端收到服务器的FIN报文段后，会发送一个TCP报文段作为确认。这个报文段的ACK标志位被置为1。客户端会将服务器的序列号W加1（W + 1）作为确认号。然后客户端进入TIME - WAIT（时间等待状态），等待2MSL（最大报文段生存时间）后，如果没有收到任何报文段，客户端就关闭连接。
   • 目的：客户端通过这个报文段确认服务器的结束请求。客户端等待2MSL是为了确保服务器能够收到客户端的确认报文段，防止网络延迟或丢包导致服务器没有收到确认报文段而一直等待。
   • 状态变化：客户端从FIN - WAIT - 1变为FIN - WAIT - 2（终止等待2状态），再变为TIME - WAIT（时间等待状态），最后关闭连接。服务器从LAST - ACK变为CLOSED（关闭状态）。

（三）四次挥手的作用

• 确保数据传输的完整性：在四次挥手的过程中，通信双方都发送了结束请求和确认报文段，这可以确保在关闭连接之前，双方都已经完成了数据的发送和接收。
• 防止连接被错误地关闭：通过多次的确认过程，可以避免由于网络延迟或丢包等原因导致连接被错误地关闭。