TCP的三次握手和四次挥手理解，附带常见面试题

本文部分内容借鉴别人博客加以理解总结，不足之处欢迎指正！！！

1、TCP介绍

讲TCP之前必须先说一下TCP/IP协议，TCP/IP 意味着 TCP 和 IP 在一起协同工作。
TCP 负责不同应用程序之间的通信。IP负责两台设备之间的通信。
TCP 负责将数据分割并装入 IP 包，然后在它们到达的时候重新组合它们。IP 负责将包发送至接受者。
TCP/IP不是一个协议，而是一个协议族的统称，包括了IP协议，IMCP协议，TCP协议，以及我们更加熟悉的http、ftp、pop3协议等等。

IP协议虽然能把数据报文送到目的主机，但是并没有交付给主机的具体应用进程。而端到端的通信才应该是应用进程之间的通信。此时就需要用到UDP和TCP。

UDP，在传送数据前不需要先建立连接，远地的主机在收到UDP报文后也不需要给出任何确认。虽然UDP不提供可靠交付，但是正是因为这样，省去和很多的开销，使得它的速度比较快，比如一些对实时性要求较高的服务，就常常使用的是UDP。对应的应用层的协议主要有DNS,TFTP,DHCP,SNMP,NFS 等

TCP，提供面向连接的服务，在传送数据之前必须先建立连接，数据传送完成后要释放连接。因此TCP是一种可靠的的运输服务，但是正因为这样，不可避免的增加了许多的开销，比如确认，流量控制等。对应的应用层的协议主要有SMTP,TELNET,HTTP,FTP 等。

2、TCP/IP协议分层

• 应用层:
  向用户提供一组常用的应用程序，比如电子邮件、文件传输访问、远程登录等。远程登录TELNET使用TELNET协议提供在网络其它主机上注册的接口。TELNET会话提供了基于字符的虚拟终端。文件传输访问FTP使用FTP协议来提供网络内机器间的文件拷贝功能。

• 传输层:
  提供应用程序间的通信。其功能包括：一、格式化信息流；二、提供可靠传输。为实现后者，传输层协议规定接收端必须发回确认，并且假如分组丢失，必须重新发送。

• 网络层 ：
  负责相邻计算机之间的通信。其功能包括三方面。

  1. 处理来自传输层的分组发送请求，收到请求后，将分组装入IP数据报，填充报头，选择去往信宿机的路径，然后将数据报发往适当的网络接口。
  2. 处理输入数据报：首先检查其合法性，然后进行寻径–假如该数据报已到达信宿机，则去掉报头，将剩下部分交给适当的传输协议；假如该数据报尚未到达信宿，则转发该数据报。
  3. 处理路径、流控、拥塞等问题。

• 网络接口层：
  这是TCP/IP软件的最低层，负责接收IP数据报并通过网络发送之，或者从网络上接收物理帧，抽出IP数据报，交给IP层。

3、 TCP的报文格式

1. 源端口，16比特，标识哪个应用程序发送。
2. 目的端口，16比特，标识哪个应用程序接收。
3. 序号字段。32比特，TCP链接中传输的数据流中每个字节都编上一个序号。序号字段的值指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。
4. 确认号，32比特，是期望收到对方的下一个报文段的数据的第1个字节的序号，即上次已成功接收到的数据字节序号加1。只有ACK标识为1，此字段有效。
5. 数据偏移，4比特。即首部长度，指出TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远，以32比特（4字节）为计算单位。最多有60字节的首部，若无选项字段，正常为20字节。
6. 保留，6比特，必须填0。
7. URG：紧急指针有效标识。1比特，它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传送（相当于高优先级的数据），紧急标志为"1"表明该位有效。
8. ACK：确认序号有效标识。 1比特，只有当ACK=1时确认号字段才有效。当ACK=0时，确认号无效。大多数情况下该标志位是置位的。TCP报头内的确认编号栏内包含的确认编号（w+1）为下一个预期的序列编号，同时提示远端系统已经成功接收所有数据。
9. PSH ：标识接收方应该尽快将这个报文段交给应用层，1比特。接收到PSH = 1的TCP报文段，应尽快的交付接收应用进程，而不再等待整个缓存都填满了后再向上交付。
10. RST，1比特，重建连接标识。 当RST=1时，表明TCP连接中出现严重错误（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立连接。
11. SYN，1比特，同步序号标识，用来发起一个连接。 SYN=1表示这是一个连接请求或连接接受请求。该标志仅在三次握手建立TCP连接时有效。它提示TCP连接的服务端检查序列编号，该序列编号为TCP连接初始端（一般是客户端）的初始序列编号。在这里，可以把TCP序列编号看作是一个范围从0到4，294，967，295的32位计数器。通过TCP连接交换的数据中每一个字节都经过序列编号。在TCP报头中的序列编号栏包括了TCP分段中第一个字节的序列编号。
12. FIN，1比特，发端完成发送任务标识。 用来释放一个连接。FIN=1表明此报文段的发送端的数据已经发送完毕，并要求释放连接。
13. 窗口， 16比特：TCP的流量控制，窗口起始于确认序号字段指明的值，这个值是接收端正期望接收的字节数。窗口最大为65535字节。
14. 校验字段，16比特，包括TCP首部和TCP数据，是一个强制性的字段，一定是由发端计算和存储，并由收端进行验证。在计算检验和时，要在TCP报文段的前面加上12字节的伪首部。
15. 紧急指针，16比特，只有当URG标志置1时紧急指针才有效。TCP的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。紧急指针指出在本报文段中紧急数据共有多少个字节（紧急数据放在本报文段数据的最前面）。
16. 选项字段，可变。TCP协议最初只规定了一种选项，即最长报文段长度（数据字段加上TCP首部），又称为MSS。MSS告诉对方TCP“我的缓存所能接收的报文段的数据字段的最大长度是MSS个字节”。
    新的RFC规定有以下几种选型：选项表结束，无操作，最大报文段长度，窗口扩大因子，时间戳。
    • 窗口扩大因子：3字节，其中一个字节表示偏移值S。新的窗口值等于TCP首部中的窗口位数增大到（16+S），相当于把窗口值向左移动S位后获得实际的窗口大小。
    • 时间戳：10字节，其中最主要的字段是时间戳值（4字节）和时间戳回送应答字段（4字节）。
    • 选项确认选项：
17. 填充字段，可变，用来补位，使整个首部长度是4字节的整数倍。
18. 数据部分，可变，TCP负载。

4、三次握手

• 第一次握手：Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=x，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。
• 第二次握手：Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=y，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。
• 第三次握手：Client收到确认后，检查ack是否为x+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=y+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为y+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

5、四次挥手

四次挥手（Four-Way Wavehand）就是终止TCP连接，意思是断开一个TCP连接时，需要客户端和服务器总共发送4个包以确认连接的断开。在socket编程中，这一过程由客户端或服务器任一方执行close来触发，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，上图描述的即是如此。

• 第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN_WAIT_1状态。
• 第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），Server进入CLOSE_WAIT状态。
• 第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK状态。
• 第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。

四次挥手的状态
FIN_WAIT_1: 这个状态和FIN_WAIT_2状态都在再等待对方的回复，但是这两种状态是有区别的,FIN_WAIT_1就是主动方在ESTABLISHED状态的时候，想要主动关闭连接，向对方发送FIN报文，这时候就进入了FIN_WAIT_1状态。当他收到对方回复的ACK报文后，就进入了FIN_WAIT_2状态。 但是在实际操作中是很难遇到FIN_WAIT_1状态的，因为无论对方是什么情况都应该立刻回应ACK报文，但是FIN_WAIT_2状态还是可以在主动方中用netstat看到的。

FIN_WAIT_2： 上面已经对FIN_WAIT_2讲解过了，当主动方进入FIN_WAIT_2时，就表示着半连接状态，也就是主动方还有数据要发给对方，这个数据就是之后的ACK，所有他要等一会儿才关闭连接。

CLOSE_WAIT： 这个状态从表面也可以看出它的作用，就是等待关闭。当被动方接收到FIN时，会立刻回复一个ACK给对方，接下来就是进入CLOSE_WAIT状态。在这个状态中，被动方需要考虑自己还有没有数据要发送给对方，如果有可以继续发送，如果没有了就可以关闭连接了，发送一个FIN给对方。 这个状态其实也就是给自己一个缓冲的时间，让自己处理完需要处理的事，然后去关闭连接。

TIME_WAIT： 这个状态就是一段时间后进行一些操作。当主动方收到了对方发来的FIN报文，并发出ACK报文，接下来就等2MSL就可以进入CLOSED状态了。其实，如果主动方在FIN_WAIT_1状态下，收到了对方的FIN+ACK标志的报文，就可以跳过FIN_WAIT_2状态直接进入TIME_WAIT状态了。

LAST_ACK： 这个状态从表面不难不理解他的意思，这个状态就是被动方发送了FIN报文后，最后等待对方的ACK报文，收到ACK报文后就可以进入CLOSED状态了。

CLOSED： 上面提到了几次这个状态，相比也猜出来了，这个状态表示的就是连接中断，已经关闭。

6、常见面试题

①、为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态？

• a、保证TCP协议的全双工连接能够可靠关闭
  如果Client直接CLOSED了，那么由于IP协议的不可靠性或者是其它网络原因，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，最后Server就会收到RST而不是ACK，Server就会以为是连接错误把问题报告给高层。这样的情况虽然不会造成数据丢失，但是却导致TCP协议不符合可靠连接的要求。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。
• b、保证这次连接的重复数据段从网络中消失
  如果Client直接CLOSED，然后又再向Server发起一个新连接，我们不能保证这个新连接与刚关闭的连接的端口号是不同的。也就是说有可能新连接和老连接的端口号是相同的。一般来说不会发生什么问题，但是还是有特殊情况出现：假设新连接和已经关闭的老连接端口号是一样的，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，由于新连接和老连接的端口号是一样的，又因为TCP协议判断不同连接的依据是socket pair，于是，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。

②、为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手？

当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，“你发的FIN报文我收到了”。只有等到我Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。

③、为什么不能用两次握手进行连接？

3次握手完成两个重要的功能，既要双方做好发送数据的准备工作(双方都知道彼此已准备好)，也要允许双方就初始序列号进行协商，这个序列号在握手过程中被发送和确认。

④、如果连接已经建立，但是客户端突然出现故障了怎么办？

TCP设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75秒钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。