TCP的三次握手与四次挥手（详解+图片）

1、TCP与UDP？

1.1、概述

传输控制协议（TCP）是一个比较复杂的协议。主要特点如下：

（1）TCP是面向连接的运输层协议。也就是说，在使用TCP协议之前，需要建立TCP连接，当传输数据完毕，必须释放已经建立的TCP连接。

（2）每一条TCP连接只能是点对点的。

（3）TCP协议是可靠交付的服务。通过TCP连接传输的数据，无差错，不丢失，不重复，并且按顺序到达。

（4）TCP提供全双工通信。允许双方进程在任何时候都能发送数据，TCP连接的两端都设置有发送缓存和接受缓存。

（5）面向字节流。面向字节流含义：虽然应用与TCP的交互是一次一块数据块，但TCP把交互下来的数据仅仅看成一连串的无结构字节流，不知道字节流的含义。

（6）TCP不关心应用进程一次把多长的报文发送到TCP缓存，而是根据对方给出的窗口值和当前网络拥塞程度来解决定一个报文段包含多少个字节，UDP发送的报文长度是应用进程给的。

1.2、TCP头格式

TCP 报文段的报头有前 20 字节的固定部分，后面 4n 字节是根据需要而添加的字段。

你需要注意这么几点：

• TCP的包是没有IP地址的，那是IP层上的事。但是有源端口和目标端口。
• 一个TCP连接需要四个元组来表示是同一个连接（src_ip, src_port, dst_ip, dst_port）准确说是五元组，还有一个是协议。但因为这里只是说TCP协议，所以，这里我只说四元组。

注意上图中的四个非常重要的东西：

• Sequence Number是包的序号就是seq，用来解决网络包乱序（reordering）问题。
  占32位，用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流，发起方发送数据时对此进行标记。
• Acknowledgement Number就是ack——用于确认收到，用来解决不丢包的问题。
  占32位，只有ACK标志位为1时，确认序号字段才有效，ack=seq+1。
• Window又叫Advertised-Window，也就是著名的滑动窗口（Sliding Window），用于解决流控的。
• TCP Flag ，也就是包的类型，主要是用于操控TCP的状态机的。
  标志位：共6个，即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等，具体含义如下：
  （A）URG：紧急指针（urgent pointer）有效。
  （B）ACK：确认序号有效。
  （C）PSH：接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
  （D）RST：重置连接。
  （E）SYN：发起一个新连接。
  （F）FIN：释放一个连接。

需要注意的是：

（A）不要将确认序号Ack与标志位中的ACK搞混了。
（B）确认方Ack=发起方Req+1，两端配对。

1.3、 三次握手

所谓三次握手（Three-Way Handshake）即建立TCP连接，就是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送3个包以确认连接的建立。在socket编程中，这一过程由客户端执行connect来触发，整个流程如下图所示：

SYN：同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers)

• （1）第一次握手：Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。
• （2）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=K，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。
• （3）第三次握手：Client收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为K+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。

1.4、四次挥手

所谓四次挥手（Four-Way Wavehand）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。在socket编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发，整个流程如下图所示：

由于TCP连接时是全双工的，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。

• （1）第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭C->S的数据传送，Client进入FIN_WAIT_1状态。
• （2）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。
• （3）第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭S->C的数据传送，Server进入LAST_ACK状态。
• （4）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。

1.5、为什么建立连接是三次握手，而关闭连接却是四次挥手呢？

这是因为服务端在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时，当收到对方的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，己方也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即close，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送。

2、TCP 与 UDP

2.1 运输层主要使用以下两种协议：

1、传输控制协议 TCP–提供面向连接的，可靠的数据传输服务。

2、用户数据协议 UDP–提供无连接的，尽最大努力的数据传输服务。

2.2 TCP 的主要特点：

1. TCP 是面向连接的（就像打电话一样，通话前需要先拨号建立连接，通话结束后要挂机释放连接）；
2. 每一条 TCP 连接只能有两个端点，每一条TCP连接只能是点对点的（一对一）；
3. TCP 提供可靠交付的服务，通过TCP连接传送的数据，无差错、不丢失、不重复、并且按序到达；
4. TCP 提供全双工通信， 允许通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据。TCP连接的两端都设有发送缓存和接收缓存，用来临时存放双方通信的数据；
5. 面向字节流。TCP 中的“流”指流入进程或从进程流出的字节序列；“面向字节流”的含义是：虽然应用程序和 TCP的交互是一次一个数据块，但 TCP 把应用程序交下来的数据仅仅看成是一连串的无结构的字节流。

2.3 UDP 的主要特点：

1. UDP 是无连接的；
2. UDP 尽最大努力交付，即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的链接状态；
3. UDP 是面向报文的；
4. UDP 没有拥塞控制，因此网络出现拥塞不会使主机的发送速率降低；
5. UDP 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信；
6. UDP 的首部开销小，只有8个字节，比TCP的20个字节的首部要短。