一文搞懂TCP的三次握手和四次挥手

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TCP的三次握手和四次挥手实质就是TCP通信的连接和断开。

三次握手：为了对每次发送的数据量进行跟踪与协商，确保数据段的发送和接收同步，根据所接收到的数据量而确认数据发送、接收完毕后何时撤消联系，并建立虚连接。

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。

TCP三次握手、四次挥手时序图

TCP协议位于传输层，作用是提供可靠的字节流服务，为了准确无误地将数据送达目的地，TCP协议采纳三次握手策略。

三次握手原理：

第1次握手：客户端发送一个带有SYN（synchronize）标志的数据包给服务端；

第2次握手：服务端接收成功后，回传一个带有SYN/ACK标志的数据包传递确认信息，表示我收到了；

第3次握手：客户端再回传一个带有ACK标志的数据包，表示我知道了，握手结束。

其中：SYN标志位数置1，表示建立TCP连接；ACK标志表示验证字段。

可通过以下趣味图解理解三次握手：

三次握手过程详细说明：

1、客户端发送建立TCP连接的请求报文，其中报文中包含seq序列号，是由发送端随机生成的，并且将报文中的SYN字段置为1，表示需要建立TCP连接。（SYN=1，seq=x，x为随机生成数值）；

2、服务端回复客户端发送的TCP连接请求报文，其中包含seq序列号，是由回复端随机生成的，并且将SYN置为1，而且会产生ACK字段，ACK字段数值是在客户端发送过来的序列号seq的基础上加1进行回复，以便客户端收到信息时，知晓自己的TCP建立请求已得到验证。（SYN=1，ACK=x+1，seq=y，y为随机生成数值）这里的ack加1可以理解为是确认和谁建立连接；

3、客户端收到服务端发送的TCP建立验证请求后，会使自己的序列号加1表示，并且再次回复ACK验证请求，在服务端发过来的seq上加1进行回复。（SYN=1，ACK=y+1，seq=x+1）。

由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。

四次挥手原理：

第1次挥手：客户端发送一个FIN，用来关闭客户端到服务端的数据传送，客户端进入FIN_WAIT_1状态；

第2次挥手：服务端收到FIN后，发送一个ACK给客户端，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），服务端进入CLOSE_WAIT状态；

第3次挥手：服务端发送一个FIN，用来关闭服务端到客户端的数据传送，服务端进入LAST_ACK状态；

第4次挥手：客户端收到FIN后，客户端t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，服务端进入CLOSED状态，完成四次挥手。

其中：FIN标志位数置1，表示断开TCP连接。

可通过以下趣味图解理解四次挥手：

四次挥手过程详细说明：

1、客户端发送断开TCP连接请求的报文，其中报文中包含seq序列号，是由发送端随机生成的，并且还将报文中的FIN字段置为1，表示需要断开TCP连接。（FIN=1，seq=x，x由客户端随机生成）；

2、服务端会回复客户端发送的TCP断开请求报文，其包含seq序列号，是由回复端随机生成的，而且会产生ACK字段，ACK字段数值是在客户端发过来的seq序列号基础上加1进行回复，以便客户端收到信息时，知晓自己的TCP断开请求已经得到验证。（FIN=1，ACK=x+1，seq=y，y由服务端随机生成）；

3、服务端在回复完客户端的TCP断开请求后，不会马上进行TCP连接的断开，服务端会先确保断开前，所有传输到A的数据是否已经传输完毕，一旦确认传输数据完毕，就会将回复报文的FIN字段置1，并且产生随机seq序列号。（FIN=1，ACK=x+1，seq=z，z由服务端随机生成）；

4、客户端收到服务端的TCP断开请求后，会回复服务端的断开请求，包含随机生成的seq字段和ACK字段，ACK字段会在服务端的TCP断开请求的seq基础上加1，从而完成服务端请求的验证回复。（FIN=1，ACK=z+1，seq=h，h为客户端随机生成）

至此TCP断开的4次挥手过程完毕。

LISTEN：等待从任何远端TCP 和端口的连接请求。

SYN_SENT：发送完一个连接请求后等待一个匹配的连接请求。

SYN_RECEIVED：发送连接请求并且接收到匹配的连接请求以后等待连接请求确认。

ESTABLISHED：表示一个打开的连接，接收到的数据可以被投递给用户。连接的数据传输阶段的正常状态。

FIN_WAIT_1：等待远端TCP 的连接终止请求，或者等待之前发送的连接终止请求的确认。

FIN_WAIT_2：等待远端TCP 的连接终止请求。

CLOSE_WAIT：等待本地用户的连接终止请求。

CLOSING：等待远端TCP 的连接终止请求确认。

LAST_ACK：等待先前发送给远端TCP 的连接终止请求的确认（包括它字节的连接终止请求的确认）

TIME_WAIT：等待足够的时间过去以确保远端TCP 接收到它的连接终止请求的确认。

TIME_WAIT 两个存在的理由：

? 1.可靠的实现tcp全双工连接的终止；

? 2.允许老的重复分节在网络中消逝。

CLOSED：不在连接状态（这是为方便描述假想的状态，实际不存在）。

三次握手&&四次挥手

为了更好的理解TCP建立连接与释放连接的过程，我们不妨先了解TCP报文结构。

TCP报文包含 首部 和 数据部分 ：

重点认识一下 TCP首部 结构：

1、源端口与目的端口：

各占两个字节，共4个字节。用来告知主机该报文的源与目的。

2、序号（seq number）

由于TCP是面向流的有序可靠连接，在一个TCP连接中传输的字节流中的每个字节都需要按顺序编号。

序号字段指的是本报文段所发送的数据的 第一个字节 的序号。

3、确认号（ack number）

表示 期望收到对方下一个报文段的序号值 ，同时表示前面的序号值都已经 成功接收 ，体现 累积确认机制 。

4、确认ACK

当ACK=1时，确认号有效。

5、同步SYN

当SYN=1时，表明这是一个请求连接报文段。

6、终止FIN

当FIN=1时，表示此报文段的发送方的数据已发送完毕，要求释放TCP连接。

7、 窗口大小（window size）

流量控制 中的滑动窗口大小，根据接收方的接收缓冲区剩余大小设置。

TCP 的整个交流过程可以总结为：建立连接，传输数据，释放连接。

TCP连接的建立采用客户端-服务器模式，我们将主动方成为客户端（Client），被动方成为服务器（Server）。

1、 第一次握手 ：Client主动打开连接，发送TCP报文（ SYN = 1，seq = i ），进行第一次握手，进入 SYN_SEND 状态；

2、 第二次握手 ： Server收到了SYN报文，发送返回报文（ ACK = 1，SYN = 1，ack = i+1， seq = j ），进行第二次握手，进入 SYN_RCVD 状态；

3、 第三次握手 ： Client收到来自Server的报文，返回ACK报文（ ACK = 1， ack = j+1，seq = i+1 ），进行第三次握手，进入 ESTABLISHED 状态； 另外， 第三次握手一般已经可以携带数据了 。

TCP有一个特别的概念叫做 半关闭 ，这个概念是说，TCP连接时全双工的连接，因此在关闭连接的时候，必须关闭传送和接收两个方向上的连接。

1、 第一次挥手 ： Client发送关闭连接报文段（ FIN= 1， seq = n ），进入 FIN_WAIT_1 状态；

2、 第二次挥手 ： Server收到来自Client的FIN之后，立即返回一个 ACK=1 报文段（ack = n+1），进入 CLOSE_WAIT 状态；

此时Server还是可以发送数据给Client。

3、 第三次挥手 ： 当Server确定所有数据都发送完毕之后，发送 FIN=1 报文段（seq = m），进入 LAST_ACK 状态；

4、 第四次挥手 ： Client收到之后，返回 ACK=1 报文段（ack = m+1），进入 TIME_WAIT 状态；

Client等待2MSL（MSL，最长报文段寿命）之后进入CLOSED状态，Server收到最后一个ACK之后，也进入CLOSED状态。

在三次握手过程中，Server发送第二次握手报文之后，收到Client的ACk之前的状态称为 半连接 状态。在半连接状态的Server会为其认为即将完成连接的Client分配资源。

而SYN Flood攻击就是，在短时间内伪造大量不存在的IP地址，向Server不断发送SYN包，Server为这些伪造的Client分配资源，并返回SYN+ACK报文段，由于IP地址无效，所以Server不会收到第三次握手的ACK，需要不断发送直至超时，这些伪造的Client长时间占用未连接队列与Server预分配的资源，造成Server崩溃，无法响应正常的SYN包。

1、SYN cookies技术：先不分配数据区，而根据SYN计算一个cookies值，当收到Client的ACk之后，再进行对比，分配资源。

2、增大最大半连接和缩短超时时间。

1、TIME_WAIT状态能确保Server正常进入CLOSE状态：

TIME_WAIT状态是在Client发完最后一个ACK之后进入的状态，如果这个ACK丢失，则Server不能确认进入CLOSE状态，超时后，Server会重新发送FIN报文段，此时处于TIME_WAIT状态的Client就能收到FIN，重发ACK，确保四次挥手完成。

2、TIME_WAIT状态有 净空 的效果：

防止已经失效的连接请求出现在下次连接中。经过TIME_WAIT状态，可以使本连接内的所有请求都在网络中消失（从而起到净空的效果，不会赢下下一次连接）。

1、 只有主动close一方才会出现TIME_WAIT状态，只有TCP连接为 短连接 情况下才有可能出现大龄的TIME_WAIT状态。

2、 服务器使用短连接，每次客户端请求后，服务器都会主动发送FIN关闭连接。最后进入TIME_WAIT状态。由此，如果访问量过大的Web Server，会存在大量的TIME_WAIT状态。

可以通过修改内核参数，快速回收TIME_WAIT资源。

3、如果一直存在大量TIME_WAIT状态，回收不及时的话，会占用大量服务器资源，可能造成该无法提供服务的问题。

参考

[1] 理解TCP 和 UDP

[2] 《计算机网络》

?TCP是面向连接的协议。传输连接是用来传送TCP报文的，TCP连接传输的三个阶段分别为： 连接建立、数据传送和连接释放。

?TCP连接的建立采用 客户服务器模式 。主动发起连接建立的应用进程叫做客户，而被动等待连接建立的应用进程叫做服务器。

?TCP建立连接的过程叫做握手，握手需要在客户和服务器之间交换三个TCP报文段，三次握手的过程如下图所示。

?(2) 第二次握手 ：服务器收到 SYN报文段后，如同意连接，则服务器会为该TCP连接 分配缓存和变量 ，并向客户端返回 确认报文段 ，在确认报文段中同步位 SYN = 1 和 确认位 ACK = 1，确认号 ack = x + 1，同时也为自己选择一个初始序号 seq = y。这时TCP服务器进程进入 同步收到（SYN-RCVD） 状态。

?(3) 第三次握手 ：客户进程在收到服务器进程的确认报文后，客户端为该TCP连接 分配缓存和变量 ，并向服务器端返回一个报文段，这个报文段是对服务器确认报文段进行确认，该报文段中 ACK = 1，确认号 seq = y + 1，而自己序号为 x + 1（即第二次握手服务器确认报文段的确认号）。客户端在发送ACK报文段后进入 已建立连接（ESTABLISHED） 状态，这时TCP连接已经建立。

?当服务器收到客户端的确认后，也进入 ESTABLISHED 状态。

?这样选择序号的目的是为了 防止由于网络路由TCP报文段可能存在延迟抵达与排序混乱的问题，从而而导致某个连接的一方对它作错误的解释 。

?下图表示了建立连接使用固定的序号存在的问题：

?由于一个TCP连接是被一对端点所表示的，其中包括2个IP地址和2个端口号构成的4元组，因此即便是同一个连接也会出现不同的实例，如果连接由于某个报文段长时间延迟而关闭，然后又以相同的4元组被重新打开，那么可以相信延迟的报文段又会被视为有效据重新进入新连接的数据流中，这就会导致数据乱序问题。

?为了避免上述的问题， 避免连接实例间的序号重叠可以将风险降至最低 。

?如前文所述，一个TCP报文段只有同时具备连接的4元组与当前活动窗口的序列号，才会在通信过程中被对方认为是正确的。然而，这也反应了TCP连接的脆弱性：如果选择合适的序列号、IP地址和端口号，那么任何人都能伪造一个TCP报文段，从而打断TCP的正常连接。所以使用初始化序号的方式（通常随机生成序号）使得序列号变得难猜，或者使用加密来避免利用这种缺点被攻击。

?所以，可以明白在建立TCP连接时，客户端和服务器端初始化序列号，就避免了上述的问题。前面说过，TCP序号占32位，范围是0~2 32 - 1，并且可以重用。

?假如 第一次握手可以携带数据的话，如果有人使用伪TCP报文段恶意攻击服务器，那么每次都在第一次握手中的SYN报文中携带大量的数据，因为它不会理会服务器的发送和接收能力是否正常，不断地给服务器重复发送这样携带大量数据的SYN报文，这会导致服务器需要花费大量的时间和内存来接收这些报文数据，这会将导致服务器连接资源和内存消耗殆尽。

?所以，之所以第一次握手不能携带数据，其中的一个原因就是 避免让服务器受到攻击 。而对于第三次握手，此时客户端已经建立了连接，通过前两次已经知道了服务器的接收正常，并且也知道了服务器的接收能力是多少，所以可以携带数据。

?根据前面描述，在第一次握手，客户端向服务发送建立连接请求，第二次握手，服务器同意建立连接，并向客户端返回一个确认报文，至此客户端已经知道了服务器同意建立连接，为什么客户端还需要对服务器的允许连接报文段进行确认？

?第三个ACK报文段的目的简单来说主要是为了 实现可靠数据传输 。

? 三次握手的目的不仅在于让通信双方了解一个连接正在建立，还在于利用数据包的选项来承载特殊的信息，交换初始序列号（Initial Sequence，ISN） 。为了实现可靠传输，TCP协议通信双方，都必须维护一个序列号，以标识发送出去的数据报中，哪些是已经被对方收到的。三次握手的过程是通信双方想要告知序列号起始值，并确认已经收到序列号的必经过程。

?如上图，在两次握手过程中，通信双方都随机选择了自己的初始段序号，并且第二次握手的时候客户端收到了自己的确认序号，确认了自己的序列号，而服务器端还没有确认自己的序列号，没有收到确认序号， 如果这时候两次握手下就进行数据传递， 序号没有同步，数据就会乱序。即如果只是两次握手，最多只有客户端的起始序列号能被确认，而服务器断的序列号则得不到确认。

?在三次握手的过程中，服务器为了响应一个受到的SYN报文段，会分配并初始化连接变量和缓存，然后服务器发送一个SYNACK报文段进行响应，并等待客户端的ACK报文段。如果客户不发送ACK来完成该三次握手的第三步，最终（通常在一分多钟之后）服务器将终止该半开连接并回收资源。

?这种TCP连接管理协议的特性就会有这样一个漏洞，攻击者发送大量的TCP SYN报文段，而不完成第三次握手的步骤。随着这种SYN报文段的不断到来，服务器不断为这些半开连接分配资源，从而导致服务器连接资源被消耗殆尽。这种攻击就是 SYN泛供攻击 。

?为了应对这种攻击，现在有一种有效的防御系统，称为 SYN cookie 。SYN cookie的工作方式如下：

?连接释放的四次挥手过程如下图所示：

?(2) 第二次挥手 ：服务器收到连接释放报文段后即发出确认，确认为ACK = 1，确认号为ack = u + 1，序号seq = v（其值是服务器前面已传送过的数据最后一个字节的序号加1），然后服务器就进入了 关闭等待（CLOSE-WAIT） 状态。

?(3) 第三次挥手 ：如果此时服务器没有数据要发送了，此时服务器向客户端发出 连接释放报文段 ，其FIN = 1，假设器序号为seq = w（在半关闭状态下服务器可能又发送了一些数据），服务器必须重复上次以发送的确认号ack = u + 1（因为客户端没有向服务器发送过数据，所以确认号和上次一致）。这时，服务器进入 最后确认（LAST-ACK） 状态，等待客户端的确认。

?(4) 第四次挥手 ：客户端在收到服务器端发出的连接释放报文段后，必须对此发出确认，在确认报文段中将ACK置位1，确认号ack = w + 1，而自己的序号为seq = u + 1。之后客户端进入 时间等待（TIME-WAIT） 状态。在经过 时间等待计时器 设置的时间 2MSL 后，客户端才进入 关闭（CLOSE） 状态

?这是为了 保证客户端发送的最后一个ACK报文段能够到达服务器端。

?客户端发送的ACK报文段可能丢失，因而使服务器收不到对自己已发送的释放连接报文段的确认。服务器会重传连接释放报文段，重新启动2MSL计时器，最终，客户端和服务器端都能进入CLOSE状态。

?在建立连接时，服务器端处于LISTEN状态时，当收到SYN报文段的建立连接请求后，它可以把ACK报文段和SYN报文段（ACK报文段起确认作用，即确认客户端的连接建立请求；SYN报文段起同步作用）放在一起发送，所以在连接建立时四次握手（即第二次握手时，服务器的ACK报文段和SYN报文段分开发送）可以合并为三次握手。

?而在释放连接时需要四次是因为 TCP连接的半关闭造成的 。由于TCP是 全双工 的（即数据可在两个方向上同时传递），因此，每个方向都必须要单独进行关闭，这个单方向的关闭就叫 半关闭 。在关闭连接时，当服务器收到客户端的FIN报文通知时，它仅仅表示客户端没有数据发送服务器了；但服务器未必将所有的数据都全部发送给了客户端，所以服务器端未必马上也要关闭连接，也即服务器端可能还需要发送一些数据给客户端之后，再发送FIN报文给客户端来表示现在可以关闭连接了，所以 它这里的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的 ，这也是为什么释放连接时需要交换四次报文了。

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