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前言

运维工作中，最常见的网络通信协议就是TCP/IP协议，这也是很多工作都会接触到基础知识，因此几乎成为了面试的必问问题。

这里就详细说明一下TCP的三次握手和四次挥手，也是最常见必须要掌握的知识点

正文

TCP工作在OSI7层模型中的第4层--传输层。

先看看报文的结构：

报文中，对于运维来说，需要知道一些基础的，比较重要的一些点，有兴趣的可以自行学习更深入的内容。

  • 源端口号/目的端口号: 表示数据从哪个进程来, 到哪个进程去. 数据位为16位二进制，所以端口最大为2的16次方：65536
  • 6位标志位：
    URG: 标识紧急指针是否有效
    ACK: 标识确认序号是否有效
    PSH: 用来提示接收端应用程序立刻将数据从tcp缓冲区读走
    RST: 要求重新建立连接. 我们把含有RST标识的报文称为复位报文段
    SYN: 请求建立连接. 我们把含有SYN标识的报文称为同步报文段
    FIN: 通知对端, 本端即将关闭. 我们把含有FIN标识的报文称为结束报文段

三次握手

TCP的三次握手，就是建立TCP连接时的过程，客户端和服务端共需要发送3个包来实现连接的建立，整个过程如下图：

整个步骤如下：

  1. TCP服务器进程启动, 时刻准备接受客户端进程的连接请求, 此时服务器就进入了 LISTEN（监听）状态
  2. TCP客户端然后向服务器发出连接请求报文，此时报文首部中的同步标志位SYN=1, 同时选择一个初始序列号 seq = x, 此时，TCP客户端进程进入了 SYN-SENT（同步已发送状态）状态。TCP规定, SYN报文段（SYN=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号。
  3. TCP服务器收到请求报文后, 如果同意连接, 则发出确认报文。确认报文中的 ACK=1, SYN=1, 确认序号是 x+1, 同时也要为自己初始化一个序列号 seq = y, 此时, TCP服务器进程进入了SYN-RCVD（同步收到）状态。这个报文也不能携带数据, 但是同样要消耗一个序号。
  4. TCP客户端进程收到确认后还, 要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1，确认序号是 y+1，自己的序列号是 x+1.
  5. 此时，TCP连接建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态，此后双方就可以开始通信了。

建立连接为什么不用两次，要三次？

  • 因为如果使用的是两次握手建立连接，客户端在发送了第一个请求连接后，如果网络中滞留的时间太长，TCP的客户端迟迟没有收到确认报文，以为服务器没有收到，会重新向服务器发送这条报文，然后客户端和服务器经过两次握手建立连接，然后第一个请求连接由于网络通畅了, 又到达了服务器，那么两次握手的机制将会让客户端和服务器再次建立连接，这将导致不必要的错误和资源的浪费。

四次挥手

即终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。整个流程如下图所示：

由于TCP连接时全双工的，因此，每个方向都必须要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭，上图则是以客户端主动断开为例的整个过程：

  1. 客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。
    释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
  2. 服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，确认序号为 u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，服务器还可以继续未发送完的数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
  3. 客户端收到服务器的确认请求后，此时客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，继续接受服务器发送的未发送完的数据
  4. 服务器将为发送完的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，确认序号为v+1，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
  5. 客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，确认序号为w+1，而自己的序列号是u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗MSL报(文最大生存时间)的时间后，才进入CLOSED状态
  6. 服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。

为什么建立连接是三次握手，关闭连接确是四次挥手呢？

  • 因为关闭连接时，服务器收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，而自己也未必全部数据都发送给对方了，所以需要多发送一次确认来表示所有数据发送完毕，可以关闭了，从而导致多了一次。

为什么要有TIME_WAIT状态，要等待2*MSL(报文最大存活时间)

  • 因为如果Client直接CLOSED了，那么由于网络或其他原因，导致Server没有收到Client最后回复的ACK。那么Server就会在超时之后继续发送FIN，此时由于Client已经CLOSED了，就找不到与重发的FIN对应的连接，就会导致连接错误。所以，Client不是直接进入CLOSED，而是要保持TIME_WAIT，当再次收到FIN的时候，能够保证对方收到ACK，最后正确的关闭连接。
  • 因为如果Client直接CLOSED后，立马又再向Server发起一个新连接，如果新连接与旧连接端口号相同，然后再如果前一次连接的某些数据仍然滞留在网络中，这些延迟数据在建立新连接之后才到达Server，TCP协议就认为那个延迟的数据是属于新连接的，这样就和真正的新连接的数据包发生混淆了。所以TCP连接还要在TIME_WAIT状态等待2倍MSL，这样可以保证本次连接的所有数据都从网络中消失。

结束

这篇只是简单的常见的TCP三次握手和四次挥手的相关知识，但是要了解TCP，还远不止这点东西，TCP里面有很多有趣的机制和规则，详情请查看《TCP详解》