TCP 三次握手与四次挥手详解

一、TCP 连接建立（三次握手）

详细过程：

1. 第一次握手（SYN）：

   • 客户端发送 SYN=1 标志（同步序列号）
   • 随机生成初始序列号 seq=x
   • 进入 SYN_SENT 状态

2. 第二次握手（SYN-ACK）：

   • 服务器收到 SYN 后，发送 SYN=1 和 ACK=1
   • 确认号 ack=x+1（期待收到 x+1）
   • 随机生成自己的序列号 seq=y
   • 进入 SYN_RCVD 状态

3. 第三次握手（ACK）：

   • 客户端确认收到 SYN-ACK
   • 发送 ACK=1，ack=y+1，seq=x+1
   • 双方进入 ESTABLISHED 状态

关键点：

• 为什么需要三次？
  防止历史重复连接初始化导致的资源浪费（两次无法确认客户端接收能力）
• 序列号作用：
  解决网络包乱序、重复问题，保证可靠性

二、TCP 连接释放（四次挥手）

详细过程：

1. 第一次挥手（FIN）：

   • 主动方发送 FIN=1，seq=u
   • 进入 FIN_WAIT_1 状态

2. 第二次挥手（ACK）：

   • 被动方发送 ACK=1，ack=u+1
   • 进入 CLOSE_WAIT 状态
   • 主动方收到后进入 FIN_WAIT_2

3. 第三次挥手（FIN）：

   • 被动方处理完数据后，发送 FIN=1，seq=v
   • 进入 LAST_ACK 状态

4. 第四次挥手（ACK）：

   • 主动方发送 ACK=1，ack=v+1
   • 进入 TIME_WAIT 状态（等待 2MSL）
   • 被动方收到后关闭连接

关键点：

• 为什么需要四次？
  TCP 是全双工的，必须分别关闭两个方向的数据流
• TIME_WAIT 状态：
  • 等待 2MSL（Maximum Segment Lifetime，默认 60s）
  • 确保最后一个 ACK 到达对方
  • 让网络中残留的旧报文失效

三、状态机转换图

连接建立：

CLOSED → SYN_SENT → ESTABLISHED
CLOSED → SYN_RCVD → ESTABLISHED

连接释放：

ESTABLISHED → FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT → CLOSED
ESTABLISHED → CLOSE_WAIT → LAST_ACK → CLOSED

四、常见问题

Q1：为什么不能用两次握手建立连接？

• 可能造成历史重复连接占用服务器资源
• 无法确认客户端的接收能力是否正常

Q2：TIME_WAIT 状态过多的危害？

• 占用端口资源（高并发时可能耗尽端口）
• 解决方案：
  • 调整 net.ipv4.tcp_tw_reuse 参数
  • 使用 SO_REUSEADDR 套接字选项

Q3：如果最后一次 ACK 丢失会怎样？

• 被动方会重传 FIN 包
• 主动方在 TIME_WAIT 期间能响应这些重传

五、Wireshark 抓包示例

三次握手：

1. [SYN] Seq=0
2. [SYN, ACK] Seq=0, Ack=1
3. [ACK] Seq=1, Ack=1

四次挥手：

1. [FIN, ACK] Seq=1, Ack=1
2. [ACK] Seq=1, Ack=2
3. [FIN, ACK] Seq=1, Ack=2
4. [ACK] Seq=2, Ack=2

六、编程实现（Python 伪代码）

# 服务端
def server():
    s = socket.socket()
    s.bind(('0.0.0.0', 80))
    s.listen()
    conn, addr = s.accept()  # 完成三次握手
    conn.close()  # 触发四次挥手

# 客户端
def client():
    s = socket.socket()
    s.connect(('server', 80))  # 发起三次握手
    s.close()  # 发起四次挥手