图解TCP协议中的三次握手和四次挥手
1.前言
通常，建立TCP需要三次握手才能建立，而断开连接则需要四次握手。
然而，昨晚同事就这个问题抛出了自己的疑问点：
- 建立TCP，为什么不能
两次握手呢？ - 为什么三次握手就有保证呢？是不是可能需要
四次握手呢？
因此，记录一下笔记。我们的讨论内容涉及到：
- 网络链路重传、网络链路延迟
- 服务端资源消耗
- 网络攻击、网络
2. TCP经典通信状态流转
首先，来一张经典图片：
2.1 Client状态经历过程
从client（客户端）来看，状态机包括6种状态，分别为：
ClosedSYN-SENDESTABLISEDFIN-WAIT-1FIN-WAIT-2TIME-WAIT
2.2 Server状态经历过程
从Server（服务端）来看，状态机包括6种状态，分别为：
ClosedLISTENSYN_RCVDESTABLISEDCLOSE_WAITLAST_ACK
3.TCP通信过程
在了解阶段过程之前，先看看TCP报文。
3.1 TCP报文
比较重要的字段有：
1.序号（sequence number）：占4个字节，指本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。
2.确认号（acknowledgement number）：同样占4个字节，是期望收到对方下一个报文段的第一个字节的序号。（即收到对方的报文段最后一个字节的序号加一）（序号和确认号是TCP可靠传输的关键部分）
3.（部分）标志位（Flags）
- 确认（
ACK）：只有标志位ACK=1时确认号字段（acknowledgement number）才有效；（注意区分 确认号ACK 和 标志位 ACK） - 同步（
SYN）：SYN=1表示这是一个“连接请求（SYN）”或“连接接受（SYN-ACK）”报文； - 终止（
FIN）：用于释放连接，FIN=1表明报文段发送完毕，要求释放连接。
4.窗口：占2字节，窗口大小最大为65535，是用来让对方设置发送窗口的依据。滑动窗口大小，用来告知发送端接受端的缓存大小，以此控制发送端发送数据的速率，从而达到流量控制。
3.2 TCP通信三阶段
参考文献：
整个TCP通信可以分为三个阶段：
建立连接阶段（三次握手Hello）数据传输阶段（多次传输数据，不是本次重点）断开释放连接阶段（四次挥手拜拜）
3.2.1 建立连接阶段（三次握手Hello）
所谓的三次握手，其实就是TCP连接的建立过程。
这里可以简单概括为影响了三个状态（不管是客户端还是服务器）：
CLOSED（简称C）SYN（简称S）ESTABLISHED（简称E）
这里以一个业务场景来讲述握手协议：
- 单片机菜鸟哥现场解答众粉丝技术问题（鸟哥作为服务端，众粉丝作为众客户端）
3.2.1.1 第一次握手 ——你好，我是你的粉丝张三，很高兴认识你
握手流向：客户端 ——>服务端
场景说明：
你好，我是你的粉丝张三，很高兴认识你
协议说明：
- 客户端主动往服务端发起SYN（
Seq = X）的报文，表示请求建立新连接，随后进入SYN状态（从 CLOSED状态切换到SYN状态）
3.2.1.2 第二次握手 ——你好，我是单片机菜鸟哥，很高兴认识你+1
握手流向：客户端 <——服务端
场景说明：
你好，我是单片机菜鸟哥，很高兴认识你+1
协议说明：
- 服务端在
LISTEN状态下收到客户端的SYN报文后，会给客户端返回响应应答SYN +ACK（Seq = Y，Ack = x +1，表示收到客户端的Seq号），随后进入SYN状态（服务端从LISTEN状态下切换到SYN状态）
3.2.1.3 第三次握手 ——很好，我们可以开始技术交流了
握手流向：客户端 ——>服务端
场景说明：
很好，我们可以开始技术交流了，这个时候鸟哥就可以开始进入粉丝答疑环节。
协议说明：
- 客户端收到
SYN+ACK包之后，回复给服务端一个ACK（Seq = x+1，Ack = y + 1，Ack等于服务端Seq +1，表示收到服务端的Ack），然后进入到ESTABLISHED状态 - 服务端收到
ACK包之后，知道客户端收到了自己的应答，也进入到ESTABLISHED状态 - 双方开始正常通信
整个过程都是在计算Ack和Seq的值，保证了TCP报文传输的连贯性。一旦出现某一方发出的TCP报文丢失，便无法继续"握手"，以此确保了"三次握手"的顺利完成。
这里引用一个动态图：
这就是 “三次握手”的过程。
粉丝A：你好，我是你的粉丝A，很高兴认识你
鸟哥：
鸟哥一直进入答疑，然而这是恶作剧，并没有人问。
问题1：两次握手可以吗？
1）第一次握手
- 第一次握手的时候，客户端发送 SYN 包之后，切换到 SYN 状态，这个和三次握手中的第一次是一样的。
2）第二次握手
- 假设只有两次握手，那么服务端在获得 SYN 包之后就会进入到
ESTABLISHED状态（请注意，这里服务端比客户端提前进入了ESTABLISHED状态，ESTABLISHED状态下会请求跟数据传输阶段有关的内存消耗，然后等待数据通信） - 然后，回复给客户端SYN+ACK包，表示我收到了你的连接请求。
这里就是我们讨论的点：
-
正常网络和用户请求（也就是每个请求都不需要重发，每个请求都是正常请求）的前提下，两次握手是足够，省了一次。
-
假设此时有
网络延迟问题，客户端连续发送两个SYN包，是不是意味着 服务端会建立两个连接？来者不拒。（当然有人就说了，我是不是可以判断两次的SYN包呢，丢弃第二次。但是 我一个 ESTABLISHED 状态的 服务连接为什么还要消耗资源去处理 SYN 上的包呢？这个是我们需要考虑的地方）。 -
假设网络是好的，根据
来者不拒的原则，此时有个黑客想攻击我们的网络，不断发送 SYN 包，是不是意味着 我们服务端需要不断建立非常庞大的无效连接（每个连接都需要消耗内存资源） -
对标场景：
恶作剧A：你好，我是你的粉丝A，很高兴认识你，鸟哥立马进入答疑
恶作剧B：你好，我是你的粉丝B，很高兴认识你，鸟哥立马进入答疑
…
鸟哥一直进入答疑，然而这是恶作剧，并没有人问，浪费鸟哥时间。
两次握手的情况下，服务端比客户端更快进入了ESTABLISHED 状态，从资源消耗的角度来看，非常不合理（其实就跟手机用户访问网站一样，网站资源是非常珍贵的，反而是手机资源属于用户级别，浪费的只是自己的手机资源）。
结论：
两次握手导致服务端优先进入了 ESTABLISHED 状态，提前消耗了连接资源。在普通情况（不存在网络攻击）下，客户端优先进入到 ESTABLISHED 状态，也是属于主动请求的一种表现，服务端收到ACK包之后才考虑消耗自己的资源，达到C-S的状态同步。
问题2：三次握手就可以了吗？是否考虑4次？
在不考虑网络攻击的情况下，三次握手已经满足了我们的要求，但是仍然解决不了网络攻击的问题。那么4次握手能解决网络攻击吗？
4次握手，其实就是形成了一个环形结构。从哪里来，回到哪里去。
这里你会发现，就算多一次，仍然解决不了，因为客户端可以伪装发送ACK，服务端一样会进入到 ESTABLISHED 状态。而且4次握手，白白浪费了一次传输时间 MSL。
3.2.2 断开释放连接阶段（四次挥手拜拜）
四次挥手即TCP连接的释放(解除)：
1）第一次握手，客户端提出释放连接，发送 FIN（Seq = U），然后进入FIN-WAIT-1，也就是半关闭状态。停止客户端向服务端发送数据，但是客户端仍然能接收服务端传输过来的数据。（客户端从 ESTABLISHED 状态 变更为 FIN-WAIT-1 状态）
2）第二次握手服务端收到客户端的FIN 包后，知道了客户端想要释放连接，随后服务端从 ESTABLISHED 状态 切换到 CLOSE- WAIT 状态，并且返回一个 ACK 包（Seq=V，Ack=U+1）给 客户端。记住，这个时候服务端可能还没有完全接收完客户端的数据（网络延迟），还在继续接收数据。客户端收到 ACK包之后，会进入到 FIN-WAIT-2状态.
3）第三次握手，当服务端确收完了所有数据，就会给客户端发送 FIN （Seq=w，Ack=U+1）包，表示我真的接收完数据了，此时会从 CLOSE-WAIT状态切换到 LAST-ACK状态。
4）第四次握手，当客户端收到 FIN 包之后，会给服务端也发送一个 ACK 包（Seq = U+1，ack=w+1），同时给双方一个认真考虑是否真的释放连接关系的时间（考虑时间为2MSL，也就是一个网络来回的时间，也就是发送一个ACK包和FIN包的时间，刚好够服务端再次发送一个FIN包）。在考虑时间内，如果没有再次收到 FIN包，客户端就认为 服务端收到了 ACK 包，我们的关系到此结束。
业务场景：
…（省略好多字的交流）
粉丝A：我的整个问题问完了，谢谢鸟哥
鸟哥：没事，谢谢灵通
鸟哥：还有其他问题吗？
粉丝A：没有了，谢谢。
4.总结
源于与同事的互水讨论，更加对 TCP协议中的三次握手和四次挥手有更深刻的理解，在此谢谢大佬。
