[每周一更]-(第20期)：TCP/IP的三次握手和四次断开原理

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我是靠谱客的博主曾经世界，最近开发中收集的这篇文章主要介绍[每周一更]-(第20期)：TCP/IP的三次握手和四次断开原理，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

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重要的标志位含义：

ACK：表示确认。只有当ACK标志位为1时，TCP报文的确认字段才有效。
SYN：表示同步，在连接建立时用来同步序列号。当SYN=1而ACK=0时，表明这是一个连接请求报文。若对方同意建立连接时，则在响应报文中，应使SYN=1，ACK=1.因此，同步比特SYN置为1，就表明这是一个连接请求报文或连接接受响应报文。
FIN：用于释放一个连接。当FIN位为1时，表明此报文段的发送端数据已发送完毕，并要求释放连接。

一、TCP/IP的三次握手

第一次握手：首先发送方主机向接收方主机发起一个建立连接的同步（SYN）请求SYN（X），进入SYN_SENT状态，等待接收方主机确认。
第二次握手：接收方在收到这个请求后，如果同意建立连接，则发送确认ACK，确认序列号为收到的序列号加1，并且报文中的SYN也要置1，即向发送方主机回复一个同步/确认（SYN/ACK）应答报文，并进入SYN_RECVD状态。
第三次握手：发送方主机收到此应答报文后，再向接收方发送一个确认（ACK）报文，然后发送方和接收方均进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，至此，TCP连接建立成功，发送方和接收方就可以开始传输数据了。

TCP建立连接的三次握手过程如图所示：
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二、TCP/IP的四次断开

当应用进程结束数据传送后，就要释放已建立的连接，TCP连接是双向的，每个方向都必须单独进行关闭，首先进行关闭的一方执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭。

1、当客户端的数据传输完后，可主动发送出FIN置1的报文给服务端（客户端主动关闭），以关闭客户端至服务端方向的数据传送，并等待服务端的ACK确认应答，同时进入FIN_WAIT1状态。
2、服务端收到FIN置1的报文后，进入被动关闭，回复一个ACK确认报文，并进入CLOSE_WAIT状态；客户端收到该ACK确认报文后，进入FIN_WAIT2状态。
3、至此完成了TCP连接的半关闭，即完成了客户端至服务端方向的数据发送。此时，客户端虽然不能发送数据，但仍然能接受服务端发给客户端的数据，即服务端至客户端方向的连接还未关闭。
4、服务端发送一个FIN置1的报文给客户端，关闭服务端至客户端方向的数据传送，并等待客户端的ACK确认应答，同时进入LAST_ACK状态，客户端收到FIN置1的报文后，回复ACK确认报文，并进入TIME_WAIT状态，经过2倍报文最大生存时间（MSL）后，TCP删除原来建立的链接记录，返回到初始的CLOSED状态。服务端收到ACK确认报文后，进入CLOSED状态，完成链接的双向关闭。

TCP/IP四次断开过程如图：
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拉钩教育中关于tcpip的三次握手和四次挥手的讲解 - 来自：计算机网络通关 29 讲

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TCP 协议

TCP（Transport Control Protocol）是一个传输层协议，提供 Host-To-Host 数据的可靠传输，支持全双工，是一个连接导向的协议。

这里面牵涉很多概念，比如主机到主机、连接、会话、双工/单工及可靠性等，接下来我会为你逐一解释。

TCP 是一个双工协议，数据任何时候都可以双向传输。这就意味着客户端和服务端可以平等地发送、接收信息。正因为如此，客户端和服务端在 TCP 协议中有一个平等的名词——Host（主机）。

TCP 的握手和挥手

TCP 是一个连接导向的协议，设计有建立连接（握手）和断开连接（挥手）的过程。TCP 没有设计会话（Session），因为会话通常是一个应用的行为。

TCP 协议有这样几个基本操作：

如果一个 Host 主动向另一个 Host 发起连接，称为 SYN（Synchroniation），请求同步；

如果一个 Host 主动断开请求，称为 FIN（Finish），请求完成；

如果一个 Host 给另一个 Host 发送数据，称为 PSH（Push），数据推送。

以上 3 种情况，接收方收到数据后，都需要给发送方一个 ACK（Acknowledgement）响应。请求/响应的模型是可靠性的要求，如果一个请求没有响应，发送方可能会认为自己需要重发这个请求。

TCP 提供的是 Host-To-Host 传输，一台主机通过 TCP 发送数据给另一台主机

TCP 协议往上是应用到应用（Application-To-Application）的协议。

TCP 是一个双工协议，数据任何时候都可以双向传输

建立连接的过程（三次握手）

因为要保持连接和可靠性约束，TCP 协议要保证每一条发出的数据必须给返回，返回数据叫作 ACK（也就是响应）。
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1、客户端发消息给服务端（SYN）（1 次握手）
2、服务端准备好进行连接
3、服务端针对客户端的 SYN 给一个 ACK （2 次握手，同时）
4、服务端发送一个 SYN 给客户端（2 次握手，同时）
5、客户端准备就绪
6、客户端给服务端发送一个 ACK（3 次握手）

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思考 SYN、ACK、PSH 这些常见的标识位（Flag）在传输中如何表示?

【解析】一种思路是为 TCP 协议增加协议头。在协议头中取多个位（bit），其中 SYN、ACK、PSH 都占有 1 个位。比如 SYN 位，1 表示 SYN 开启，0 表示关闭。因此，SYN-ACK 就是 SYN 位和 ACK 位都置 1。这种设计，我们也称为标识（Flag）

断开连接的过程（4 次挥手）

如果断开连接需要几次握手？给你一些提示，你可以在脑海中这样构思。

1、客户端要求断开连接，发送一个断开的请求，这个叫作（FIN）。
2、服务端收到请求，然后给客户端一个 ACK，作为 FIN 的响应。
3、这里你需要思考一个问题，可不可以像握手那样马上传 FIN 回去？
其实这个时候服务端不能马上传 FIN，因为断开连接要处理的问题比较多，比如说服务端可能还有发送出去的消息没有得到 ACK；也有可能服务端自己有资源要释放。因此断开连接不能像握手那样操作——将两条消息合并。所以，服务端经过一个等待，确定可以关闭连接了，再发一条 FIN 给客户端。
4、客户端收到服务端的 FIN，同时客户端也可能有自己的事情需要处理完，比如客户端有发送给服务端没有收到 ACK 的请求，客户端自己处理完成后，再给服务端发送一个 ACK。

经过以上分析，就可以回答上面这个问题了。是不是刚刚好 4 次挥手？过程如下图所示：
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总结
在学习 3 次握手、4 次挥手时，你一定要理解为什么这么设计，而不是死记硬背。最后。我们一起总结一下今天的重点知识。

1、TCP 提供连接（Connection），让双发的传输更加稳定、安全。
2、TCP 没有直接提供会话，因为应用对会话的需求多种多样，比如聊天程序会话在保持双方的聊天记录，电商程序会话在保持购物车、订单一致，所以会话通常在 TCP 连接上进一步封装，在应用层提供。
3、TCP 是一个面向连接的协议（Connection -oriented Protocol），说的就是 TCP 协议参与的双方（Host）在收发数据之前会先建立连接。后面我们还会学习 UDP 协议，UDP 是一个面向报文（Datagram-oriented）的协议——协议双方不需要建立连接，直接传送报文（数据）。

最后，连接需要消耗更多的资源。比如说，在传输数据前，必须先协商建立连接。因此，不是每种场景都应该用连接导向的协议。像视频播放的场景，如果使用连接导向的协议，服务端每向客户端推送一帧视频，客户端都要给服务端一次响应，这是不合理的。

本讲关联的面试题目：TCP 为什么是 3 次握手，4 次挥手？

【解析】TCP 是一个双工协议，为了让双方都保证，建立连接的时候，连接双方都需要向对方发送 SYC（同步请求）和 ACK（响应）。

握手阶段双方都没有烦琐的工作，因此一方向另一方发起同步（SYN）之后，另一方可以将自己的 ACK 和 SYN 打包作为一条消息回复，因此是 3 次握手——需要 3 次数据传输。

到了挥手阶段，双方都可能有未完成的工作。收到挥手请求的一方，必须马上响应（ACK），表示接收到了挥手请求。类比现实世界中，你收到一个 Offer，出于礼貌你先回复考虑一下，然后思考一段时间再回复 HR 最后的结果。最后等所有工作结束，再发送请求中断连接（FIN），因此是 4 次挥手。