TCP协议——三次握手与四次关闭

1. TCP协议基础

网络编程基础见，传送门

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号并交换 TCP窗口大小信息。

TCP网络传输示意图：

2. 三次握手(3-Way Handshake)

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_SENT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Acknowledgment Number为x+1(Sequence Number+1)；同时，自己自己还要发送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报文段）中，一并发送给客户端，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，客户端和服务器端都进入ESTABLISHED状态，完成TCP三次握手。
完成了三次握手，客户端和服务器端就可以开始传送数据。

问题

1.为什么要三次握手?
既然总结了TCP的三次握手，那为什么非要三次呢？怎么觉得两次就可以完成了。那TCP为什么非要进行三次连接呢？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端，因而产生错误。
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。”

防止了服务器端的一直等待而浪费资源。

为什么是3次握手，不是2次握手?

start of a TCP conversation between Alice and Bob: Alice —> Bob
SYNchronize with my Initial Sequence Number of X Alice <— Bob I
received your syn, I ACKnowledge that I am ready for [X+1] Alice <—
Bob SYNchronize with my Initial Sequence Number of Y Alice —> Bob I
received your syn, I ACKnowledge that I am ready for [Y+1]
如果是2次握手，只能单向通信（1个发syn，一个ack），而事实上TCP是全双工，双方都需要建立ISN（Initial Sequence
Number ），彼此都需要知道对方的ISN

3次握手，逻辑上是4次握手，是有序的2次互通信

TCP connection is bidirectional. What this means is that it actually is a pair of one-way connections.The initiator sends SYN, the responder sends ACK:
one simplex connection begins.
“Then” the responder sends SYN, the initiator sends ACK:
another simplex connection begins.
Two simplex connections form one duplex TCP session
So logically there are four steps involved;
but because SYN and ACK flags are different “fields” of TCP header,
they can be set simultaneously - the second and the third steps (of the four) are combined,
so technically there are three packet exchanges.
Each simplex (half-)connection uses 2-way exchange, as you proposed.Each client will perform an active OPEN and then proceed through both the SYN-SENT and SYN-RECEIVED states until their SYNs are acknowledged.
This means there isn’t a “three-way handshake” any more as shown.
Instead, it is like two simultaneous “two-way handshakes”.
Each client sends a SYN, receives the other’s SYN and ACKs it, and then waits for its own ACK.

2. 四次结束(4-Way Handshake)

当客户端和服务器通过三次握手建立了TCP连接以后，当数据传送完毕，肯定是要断开TCP连接的啊。那对于TCP的断开连接，这里就有了神秘的“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。
至此，TCP的四次分手就这么愉快的完成了。

为什么要四次分手?
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。

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