网络基础三之TCP三次握手四次分手

1 回顾OSI的七层模型

TCP工作在第四层--传输层，IP工作在第三层--网络层，ARP工作在第二层--数据链路层；数据在物理层以比特流（bit）传输，在数据链路层以帧（Frame）传递，在网络层以包（Package）传递，在传输层以段（Segment）传递。

数据从应用层发下来，会在每一层上加上头部信息，进行封装，然后在发送到数据接收端，即封装和解封装的过程。

在OSI七层模型中，每一层的作用和对应的协议如下：

2 TCP协议定义

（1）源端口和目的端口（Source Port、Destination Port）：分别占用16位，用于区别主机中不同进程，而IP地址是用来区分不同的主机的，源端口号和目的端口号配合上IP首部中的源IP地址和目的IP地址就能唯一的确定一个TCP连接；

（2）序号（Sequence Number）：用来标识从TCP发送端向TCP接收端发送过来的数据字节流，它表示在这个报文段中的第一个数据字节流中的序号；主要用来解决网络报乱序的问题；

（3）确认号（Acknowledgment Number）：32位确认序列号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号，因此，确认序号应当是上次已经成功收到数据字节序号加1。不过，只有当标志位中的ACK标志位为1时该确认序列号的字段才有效。主要用来解决不丢包的问题；

（4）数据偏移（Offset）：给出首部中32 bit字的数目，需要这个值是因为人选字段是可变的。这个字段占4 bit（最多能表示15个32 bit的字，即4*15=60个字节的首部长度），因此TCP首部最多有60个字节。然而，没有任选字段，正常的长度是20个字节；

（5）TCP 标志位：TCP首部有6个标志位，它们中的多个可同时被设置为1，主要是用于操控TCP的状态机的，依次为URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN。每个标志位的意思如下：

1) URG（urgent）：紧急标志。此标志位表示TCP包的紧急指针域有效，用来保证TCP连接不被中断，并且督促中间层设备要尽快处理这写数据；

2) ACK（acknowledgement）：确认标志。就是说前面所说的TCP应答号将会在TCP数据包中；有两个取值）0和1，为1表示应该应答域有效，反之为0

3) PUS（push）：推标志。这个标志位表示Push操作，所谓Push操作就是在数据包到达接收端以后，立即传送给应用程序，而不是在缓冲区中排队；

4) RST（reset）：复位标志。表示连接复位请求用来复位那些产生错误的连接，也用来来拒绝错误和非法的数据包；

5) SYN（synchronous）：同步标志，用来建立连接。SYN标志位和ACK标志位搭配使用，当连接请求的时候，SYN=1，ACK=0；连接被响应的时候，SYN=1，ACK=1；这个标识的数据包经常被用来进行端口扫描。扫描者发送一个只有SYN的数据包，如果对方主机响应了一个数据包回来，就表明这台主机存在这个端口；但是由于这种扫描只是进行TCP三次握手的第一次握手，因此这种扫描的成功表示被扫描的机器很不安全，一台安全的主机将会强制要求一个连接严格的进行TCP的三次握手。

6) FIN（finish）：结束标志。表示发送端已经达到数据末尾，也就是说双方的数据传送完成，没有数据可以传送了，发送FIN标志位的TCP数据包后，连接将被断开。这个标志的数据包也经常被用于进行端口扫描。

3 三次握手

TCP是面向连接的无论哪一方向另一方发送数据之前，都必须先在双方之间建立一条连接。在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接服务，连接是通过三次握手进行初始化的。三次握手的目的是同步连接双方的序列号和确认序列号并交换TCP窗口大小信息。如下图所示：

第一次握手：主机A发送位码为syn=1，随机产生seq number = x的数据包到服务器，主机B由SYN=1知道，A要求建立联机；

第二次握手：主机B收到请求后要确认联机信息，向A发送ack number=（主机A的seq+1），syn=1，ack=1，随机产生seq=y的包；

第三次握手：主机A收到后检查ack number是否正确，即第一次发送的seq number+1，以及位码ack是否为1，若正确，主机A会在发送ack number=（主机B的seq+1），ack+1。主机B收到后再确认seq值与ack=1则连接建立成功。

在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接服务，采用三次握手建立一个连接。

第一次握手：建立连接。客户端发送连接请求报文段，将SYN位置为1，Sequence Number为x，然后，客户端进入SYN_SEND状态，等待服务器的确认；

第二次握手：服务器收到SYN报文段。服务器收到客户端的SYN报文段，需要对这个SYN报文段进行确认，设置Acknowledgement Number 为x+1（Sequence Number+1）；同时，自己还要发送SYN请求信息，将SYN位置为1，Sequence Number为y；服务器端将上述所有信息放到一个报文段（即SYN+ACK）中，一并发给客户端，此时服务器进入SYN_RECV状态；

第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK报文段。然后将Acknowledgment Number设置为y+1，向服务器发送ACK报文段，这个报文段发送完毕以后，客户端和服务器端就进入ESTABLISHED状态，完成TCP三次握手。

为什么要三次握手？？？

在谢希仁的《计算机网络》中是这样说的：

为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务器，因而产生错误。

防止了服务器端的一直等待而浪费资源。

在书中同时举了一个例子，如下：

“已失效的连接请求报文段”的产生在这样一种情况下：client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某个网络结点长时间的滞留了，以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。本来这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。于是就向client发出确认报文段，同意建立连接。假设不采用“三次握手”，那么只要server发出确认，新的连接就建立了。由于现在client并没有发出建立连接的请求，因此不会理睬server的确认，也不会向server发送数据。但server却以为新的运输连接已经建立，并一直等待client发来数据。这样，server的很多资源就白白浪费掉了。

采用“三次握手”的办法可以防止上述现象发生。例如刚才那种情况，client不会向server的确认发出确认。server由于收不到确认，就知道client并没有要求建立连接。”

4 四次分手

第一次分手：主机1（可以使客户端，也可以是服务器端），设置Sequence Number和Acknowledgment Number，向主机2发送一个FIN报文段；此时，主机1进入FIN_WAIT_1状态；这表示主机1没有数据要发送给主机2了；

第二次分手：主机2收到了主机1发送的FIN报文段，向主机1回一个ACK报文段，Acknowledgment Number为Sequence Number加1；主机1进入FIN_WAIT_2状态；主机2告诉主机1，我“同意”你的关闭请求；

第三次分手：主机2向主机1发送FIN报文段，请求关闭连接，同时主机2进入LAST_ACK状态；

第四次分手：主机1收到主机2发送的FIN报文段，向主机2发送ACK报文段，然后主机1进入TIME_WAIT状态；主机2收到主机1的ACK报文段以后，就关闭连接；此时，主机1等待2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那好，主机1也可以关闭连接了。

为什么要四次分手？？？

那四次分手又是为何呢？TCP协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的运输层通信协议。TCP是全双工模式，这就意味着，当主机1发出FIN报文段时，只是表示主机1已经没有数据要发送了，主机1告诉主机2，它的数据已经全部发送完毕了；但是，这个时候主机1还是可以接受来自主机2的数据；当主机2返回ACK报文段时，表示它已经知道主机1没有数据发送了，但是主机2还是可以发送数据到主机1的；当主机2也发送了FIN报文段时，这个时候就表示主机2也没有数据要发送了，就会告诉主机1，我也没有数据要发送了，之后彼此就会愉快的中断这次TCP连接。如果要正确的理解四次分手的原理，就需要了解四次分手过程中的状态变化。

FIN_WAIT_1: 这个状态要好好解释一下，其实FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_2状态的真正含义都是表示等待对方的FIN报文。而这两种状态的区别是：FIN_WAIT_1状态实际上是当SOCKET在ESTABLISHED状态时，它想主动关闭连接，向对方发送了FIN报文，此时该SOCKET即进入到FIN_WAIT_1状态。而当对方回应ACK报文后，则进入到FIN_WAIT_2状态，当然在实际的正常情况下，无论对方何种情况下，都应该马上回应ACK报文，所以FIN_WAIT_1状态一般是比较难见到的，而FIN_WAIT_2状态还有时常常可以用netstat看到。（主动方）

FIN_WAIT_2：上面已经详细解释了这种状态，实际上FIN_WAIT_2状态下的SOCKET，表示半连接，也即有一方要求close连接，但另外还告诉对方，我暂时还有点数据需要传送给你(ACK信息)，稍后再关闭连接。（主动方）

CLOSE_WAIT：这种状态的含义其实是表示在等待关闭。怎么理解呢？当对方close一个SOCKET后发送FIN报文给自己，你系统毫无疑问地会回应一个ACK报文给对方，此时则进入到CLOSE_WAIT状态。接下来呢，实际上你真正需要考虑的事情是察看你是否还有数据发送给对方，如果没有的话，那么你也就可以 close这个SOCKET，发送FIN报文给对方，也即关闭连接。所以你在CLOSE_WAIT状态下，需要完成的事情是等待你去关闭连接。（被动方）

LAST_ACK: 这个状态还是比较容易好理解的，它是被动关闭一方在发送FIN报文后，最后等待对方的ACK报文。当收到ACK报文后，也即可以进入到CLOSED可用状态了。（被动方）

TIME_WAIT: 表示收到了对方的FIN报文，并发送出了ACK报文，就等2MSL后即可回到CLOSED可用状态了。如果FINWAIT1状态下，收到了对方同时带FIN标志和ACK标志的报文时，可以直接进入到TIME_WAIT状态，而无须经过FIN_WAIT_2状态。（主动方）

CLOSED: 表示连接中断。

【问题1】为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手？
答：因为当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。