TCP三次握手和四次挥手

2019-05-03

TCP报文的六个标志位

URG：紧急指针（urgent pointer）有效。
ACK：确认序号有效。
PSH：接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
RST：重置连接。
SYN：发起一个新连接。
FIN：释放一个连接。

TCP三次握手

所谓三次握手（Three-Way Handshake）即建立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。

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第一次握手
Client将标志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的确认信息。
第二次握手
Server收到数据包后根据SYN=1可知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以确认收到了连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。
第三次握手
Clinet收到确认后，检查ACK标志是否为1且ack是否为J+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和Server之间就可以开始传输数据了。

为什么不能是两次握手？

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。
现在把三次握手改成仅需要两次握手，死锁是可能发生的。作为例子，考虑计算机S和C之间的通信，假定C给S发送一个连接请求分组，S收到了这个分组，并发送了确认应答分组。按照两次握手的协定，S认为连接已经成功地建立了，可以开始发送数据分组。可是，C在S的应答分组在传输中被丢失的情况下，将不知道S是否已准备好，不知道S建立什么样的序列号，C甚至怀疑S是否收到自己的连接请求分组。在这种情况下，C认为连接还未建立成功，将忽略S发来的任何数据分组，只等待连接确认应答分组。而S在发出的分组超时后，重复发送同样的分组。这样就形成了死锁。

第三次握手失败会怎么办？

但第三次握手失败时，服务器不会重传ack报文，而是直接发送RTS报文段，进入CLOSED状态。这样做的目的是为了防止SYN洪泛攻击。

TCP四次挥手

1.客户端发出释放连接的报文，并且停止发送数据。设置报文，FIN=1，序列号为seq=u（等于前面传送过来的数据的最后一个直接的序号加一），发送报文到服务器，此时客户端进入FIN-WAIT-1状态。TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
2.服务器收到连接释放的报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且携带上自己的序列号seq=v，此时了CLOSE-WAIT状态。TCP服务器通知高层的应用进程。客户端与服务端的连接就要释放了。这个时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然会接受。
3.客户端收到服务器的确认请求后，客户端就进入FIN-WAIT-2状态，等待服务器发送连接释放报文。
4.服务端将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于处于半关闭状态，服务端很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时服务器进入了LAST-ACK状态，等待客户端的确认。
5.客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，此时自己的序列号还是seq=u+1，此时客户端就进入了TIME-WAIT状态。此时TCP连接还没释放，必须经过2*MSL的等待时间后，客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
6.服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态，同时TCP连接就断开了。服务端比客户端更先结束连接。

为什么关闭的时候需要四次挥手，而不是三次？

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。故需要四步挥手。

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？

虽然按道理，四个报文都发送完毕，我们可以直接进入CLOSE状态了，但是我们必须假象网络是不可靠的，有可以最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。在Client发送出最后的ACK回复，但该ACK可能丢失。Server如果没有收到ACK，将不断重复发送FIN片段。所以Client不能立即关闭，它必须确认Server接收到了该ACK。Client会在发送出ACK之后进入到TIME_WAIT状态。Client会设置一个计时器，等待2MSL的时间。如果在该时间内再次收到FIN，那么Client会重发ACK并再次等待2MSL。所谓的2MSL是两倍的MSL(Maximum Segment Lifetime)。MSL指一个片段在网络中最大的存活时间，2MSL就是一个发送和一个回复所需的最大时间。如果直到2MSL，Client都没有再次收到FIN，那么Client推断ACK已经被成功接收，则结束TCP连接。