深入理解TCP以及三次握手与四次挥手

发布于：2025-06-13 ⋅ 阅读:(16) ⋅ 点赞:(0)

一、核心概念和分类

TCP（传输控制协议，Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，属于 OSI模型的第四层（传输层） 和 TCP/IP模型的传输层。以下是其核心概念和分类的详细说明：

1. 所属分类

1.1 网络模型中的位置
  • OSI模型：TCP属于第四层（传输层），负责在端到端之间提供可靠的数据传输服务。
  • TCP/IP模型：TCP位于传输层，与IP协议（网络层）共同构成TCP/IP协议栈的核心。
1.2 协议类型
  • 传输层协议：TCP是传输层的典型代表协议，与UDP（用户数据报协议）并列，但两者特性截然不同：
    • TCP：面向连接、可靠、有序、流量控制。
    • UDP：无连接、不可靠、无序、低开销。

2. 核心概念

2.1 面向连接
  • 连接建立：通过 三次握手（Three-Way Handshake）建立连接，确保双方具备通信能力。
  • 连接终止：通过 四次挥手（Four-Way Handshake）安全关闭连接，避免数据丢失。
2.2 可靠性
  • 确认机制（ACK）：接收方对每个数据包发送确认（ACK），发送方未收到ACK时会重传。
  • 校验和：检测数据传输中的错误。
  • 序列号与确认号：确保数据按顺序到达，并避免重复或丢失。
2.3 基于字节流
  • 非结构化数据：TCP将数据视为连续的字节流（无消息边界），由应用层定义数据格式。
  • 数据分段：根据网络条件（如MTU）将数据分割成适当大小的报文段（Segment）。
2.4 流量控制
  • 滑动窗口机制：动态调整发送窗口大小，避免接收方缓冲区溢出。
  • 接收方反馈：通过窗口字段告知发送方当前可接收的数据量。
2.5 拥塞控制
  • 慢启动（Slow Start）：初始阶段以指数增长速率发送数据。
  • 拥塞避免（Congestion Avoidance）：进入稳定状态后线性增长速率。
  • 快速重传与恢复：检测到丢包时快速调整发送速率，减少网络拥塞。

3. 关键特性

特性 描述
可靠性 通过确认机制、重传机制和校验和确保数据完整性和正确性。
有序性 序列号确保数据按发送顺序重组，避免乱序。
全双工通信 双方可同时发送和接收数据（如HTTP/1.1的请求与响应）。
连接管理 三次握手建立连接，四次挥手终止连接，保证连接的稳定性。
适应性 动态调整传输速率（流量控制、拥塞控制），适应不同网络环境。

4. 与其他协议的对比

协议 特性 适用场景
TCP 面向连接、可靠、有序、高开销 需要可靠传输的场景（如HTTP、FTP、电子邮件）。
UDP 无连接、不可靠、无序、低开销 实时性要求高的场景（如视频流、在线游戏）。

5. 典型应用场景

  • Web浏览（HTTP/HTTPS）：确保网页内容完整加载。
  • 文件传输（FTP）：保障文件无损传输。
  • 电子邮件（SMTP/POP/IMAP）：可靠传递邮件数据。
  • 远程登录（SSH）：安全、可靠的终端连接。

6. 标准与规范

  • 定义标准：由 IETF RFC 793 首次定义，后续通过 RFC 9293 等文档更新。
  • 标准化组织：国际互联网工程任务组（IETF）负责维护和改进TCP协议。

TCP 协议通过 三次握手 建立连接，通过 四次挥手 终止连接。以下是完整过程、标志位含义及常见问题解析。

二、三次握手（建立连接）

1. 过程详解

第一次握手：
  • 客户端 → 服务器：SYN=1, Seq=x
    • SYN（Synchronize，同步）：请求建立连接。
    • Seq=x：客户端随机生成初始序列号（Sequence Number），用于标识数据流的起点。
第二次握手：
  • 服务器 → 客户端：SYN=1, ACK=1, Seq=y, Ack=x+1
    • SYN=1：服务器同步自己的初始序列号 Seq=y。
    • ACK=1（Acknowledgment，确认）：确认号（Acknowledgment Number）有效，表示服务器已收到客户端的 Seq=x，并期望下次收到 x+1 的数据。
    • Ack=x+1：对客户端的确认号，确保双方序列号同步。
第三次握手：
  • 客户端 → 服务器：ACK=1, Ack=y+1
    • ACK=1：客户端确认服务器的 Seq=y，期望下次收到 y+1 的数据。
    • 连接建立完成：双方同步序列号，具备收发能力，进入 ESTABLISHED 状态。

2. 核心目的

  • 防止历史连接干扰：通过同步序列号和三次确认，避免旧请求的SYN报文被误认为新连接。
  • 验证收发能力：确保双方均能发送和接收数据。

三、四次挥手（终止连接）

1. 过程详解

第一次挥手：
  • 客户端 → 服务器：FIN=1, Seq=u
    • FIN=1（Finish，结束）：客户端声明“已无数据发送”，请求关闭连接。
    • Seq=u：客户端当前发送的数据序列号。
第二次挥手：
  • 服务器 → 客户端：ACK=1, Ack=u+1
    • ACK=1：服务器确认收到客户端的 FIN，并期望下次收到 u+1 的数据。
    • 服务器进入 CLOSE_WAIT 状态：等待处理剩余数据。
第三次挥手：
  • 服务器 → 客户端：FIN=1, Seq=v
    • FIN=1：服务器声明“已无数据发送”，请求关闭连接。
    • Seq=v：服务器当前发送的数据序列号。
第四次挥手：
  • 客户端 → 服务器：ACK=1, Ack=v+1
    • ACK=1：客户端确认收到服务器的 FIN，连接完全关闭。
    • 客户端进入 TIME_WAIT 状态：等待 2MSL（最大报文段生存时间），确保最后一个 ACK 到达服务器。

2. 核心目的

  • 全双工独立关闭：每个方向需独立关闭，确保双方数据传输完成。
  • 防止数据丢失：通过四次确认，避免因未处理完数据而强制关闭连接。

四、TCP 标志位详解

缩写 全称 中文含义 作用
SYN Synchronize 同步 建立连接时同步序列号（三次握手）
FIN Finish 结束 请求关闭连接（四次挥手）
ACK Acknowledgment 确认 确认收到数据或响应（握手/挥手）
RST Reset 复位 强制终止异常连接（如端口未监听）
PSH Push 推送 提示接收方立即交付数据（如交互式应用）
URG Urgent 紧急 标记紧急数据需优先处理

标志位在 TCP 报文段中的位置

TCP 报文段头部包含 20 字节固定字段，其中 Flags 字段 为 6 位，顺序为：
URG | ACK | PSH | RST | SYN | FIN。

五、常见问题与扩展

1. 为什么三次握手？

  • 防止资源浪费：若仅两次握手，服务器收到SYN后分配资源，但客户端可能未响应ACK，导致资源浪费。
  • 同步序列号：三次握手确保双方序列号同步，避免历史报文干扰。

2. 为什么四次挥手？

  • 全双工关闭：客户端和服务器需独立关闭发送通道，四次挥手确保双方确认无数据残留。
  • 避免数据丢失：若合并挥手步骤，服务器可能在未处理完数据时被强制关闭。

3. TIME_WAIT 状态的作用

  • 确保最后一个 ACK 到达：客户端等待 2MSL，防止服务器未收到 ACK 而重传 FIN。
  • 避免旧连接报文干扰：等待足够时间让旧报文段失效，防止新连接误用旧数据。

4. 如何解决 TIME_WAIT 过多？

  • 端口复用：设置 net.ipv4.tcp_tw_reuse=1（Linux）。
  • 缩短超时时间：调整 net.ipv4.tcp_fin_timeout（默认60秒）。

5. CLOSE_WAIT 状态堆积的原因

  • 应用程序未调用 close()：检查代码是否正确关闭连接。
  • 防火墙拦截 FIN 报文：排查网络设备是否丢弃 FIN。

6. RST 的典型场景

  • 异常终止：服务器端口未监听或数据错误时，发送 RST=1 强制关闭连接。
  • 数据错误：接收方检测到非法序列号或数据时，发送 RST=1。

六、TCP 报文段结构简图

  0                   1                   2                   3
  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
 |          Source Port          |       Destination Port      |
 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
 |                        Sequence Number                        |
 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
 |                    Acknowledgment Number                      |
 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
 |  Data |           |U|A|P|R|S|F|                               |
 | Offset| Reserved  |R|C|S|S|Y|I|            Window             |
 |       |           |G|K|H|T|N|N|                               |
 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
 |           Checksum            |         Urgent Pointer        |
 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
 |                    Options                    |    Padding    |
 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
 |                             data                              |
 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

七、总结

  • 三次握手：建立连接，通过SYN和ACK同步序列号，确保双方具备通信能力。
  • 四次挥手：终止连接，通过FIN和ACK独立关闭全双工通道，保证数据完整性。
  • 标志位作用：SYN/FIN控制连接状态，ACK确认数据，RST/PSH/URG处理异常或紧急数据。
  • 核心原则：TCP 通过严格的确认机制和状态转换，保障通信的稳定性和数据完整性。

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