揭秘——TCP的三次握手和四次挥手

Posted 2021-01-05 wangjiachen666

1.前言

本文以博主在某次前端面试中被问到“什么是TCP协议中的三次握手和四次挥手？”为契机，经过整理教材、百度百科以及他人博客，再结合博主自身的理解，尽可能的以通俗易懂的语言来解释TCP协议中的三次握手和四次挥手的具体过程。

2.TCP连接和断开

客户端与服务端在建立TCP连接时需要经过三次握手才能建立，而断开连接则需要四次挥手。整个过程全览如下图所示：

我知道，直接看此图，相信大多数伙伴是懵逼的，下面我们就分别从建立连接和断开连接进行详细介绍。

3.“三次握手”建立连接

客户端与服务端在建立TCP连接时需要经过三次握手才能建立，其具体过程图解如下图：

上图中间的三个箭头即为三次握手。

官方说明(说也白说，还是不懂)

• 第一次握手：建立连接时，客户端发送SYN包（SYN=j）到服务器，此时客户端进入SYN_SENT状态，并挂起等待服务器确认；SYN：同步序列编号（Synchronize Sequence Numbers）。

• 第二次握手：当服务器收到客户端发来的SYN包后，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，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包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED（TCP连接成功）状态。

至此完成三次握手。
怎么样，懵逼吧，我都说了，这种说明，说了也是白说！

博主说明(通俗易懂)

其实建立连接三次握手的过程跟我们平时打电话的过程是一样样的，我们来看这样一个场景：
某天，隔壁老王给隔壁老张打电话，有如下对话：
老王：天王盖地虎！
老张：天王盖地虎，小鸡炖蘑菇！
老王：小鸡炖蘑菇！
电话接通，老王和老张Blalalala....
下来我们结合上面三次握手的图解仔细分析下这个场景，

• 首先，老王给老张打电话，老王就是客户端，老张就是服务端。只有老王给老张打了电话，老张才会去接电话，也就是说老张不会主动去找老王，只有老王找老张，老张才会应答老王。
  对应到上图中就是客户端主动打开，服务端在监听等待，只有当客户端主动发起建立连接请求的时候，服务端才会配合客户端进行连接。

• 老王先说句“天王盖地虎！”，说完后老王等待老张回应，老王进入等待状态。
  这个过程对应于图中第一次握手客户端发送SYN包，发完客户端进入SYN_SENT状态。
• 老张听到老王的话后，回复老王“天王盖地虎，小鸡炖蘑菇！”在这里有个问题，许多同学会认为老张听到老王的话后应该直接回复“小鸡炖蘑菇”就可以了呀，干嘛还要再把老王的话再说一遍。其实不然，老张之所以要重复老王说的那句“天王盖地虎”，是因为老张得清楚的表明我不但能听到你说话，而且我听的非常准确，你说的是“天王盖地虎”而没有被我听成是“上山打老虎”。
  这个过程就对应于图中第二次握手，当服务端收到客户端发来的SYN包后，服务端将SYN包并加上自己的ACK包一起发给客户端，告诉客户端，我不但能收到你发来的东西，我还收的很完整，没有丢包，不信我把刚收到你发来的包发给你看看。
• 老王听到老张说的“天王盖地虎，小鸡炖蘑菇！”后，心想“嗯，老张能听到我说话，而且还听得很准确，我也得告诉老张我能听到他说话。”，随后，老王就把老张说的“小鸡炖蘑菇”再说给老张，表示告诉老张我也能听到你说话，而且我也听得很准确哦。
  这个过程就对应于图中第二次握手，当服务端收到客户端发来的SYN包后，服务端将SYN包并加上自己的ACK包一起发给客户端，告诉客户端，我不但能收到你发来的东西，我还收的很完整，没有丢包，不信我把刚收到你发来的包发给你看看。
• 老王听到老张说的“天王盖地虎，小鸡炖蘑菇！”后，心想“嗯，老张能听到我说话，而且还听得很准确，我也得告诉老张我能听到他说话。”，随后，老王就把老张说的“小鸡炖蘑菇”再说给老张，表示告诉老张我也能听到你说话，而且我也听得很准确哦。
  这个过程就对应于图中的第三次握手，当客户端端收到服务端发来的SYN+ACK包后，客户端将ACK包再发给服务端，告诉服务端，我也能收到你发来的东西，我也收的很完整，没有丢包，不信我也把刚收到你发来的包发给你看看。

• 当老张听到老王说的“小鸡炖蘑菇”后，老张心想“嗯，老王也能听到我说话”。如此，通过以上过程，老王和老张就知道对方能听到自己说话，接下来就可以Blalalala....

听完这么一分析，是不是豁然开朗！！！

那么问题来了

建立连接一定要握手三次吗？两次握手为什么不行？四次握手为什么不行？
还是以老王给老张打电话场景为例，

---

先看两次握手：
老王：老张，你能听到我说话吗？（第一次握手）
老张：我能听到，老王，你能听到我说话吗？（第二次握手）
此时，两次握手结束，按理连接已经建立成功，可是老张还不知道老王能不能听到自己说话，所以接下来
老王：我们今天去老刘家打麻将吧
老张：我能听到，老王，你能听到我说话吗？
老王卒。

---

再看四次握手：
老王：老张，你能听到我说话吗？（第一次握手）
老张：我能听到，老王，你能听到我说话吗？（第二次握手）
老王：我能听到，老张，你能听到我说话吗？（第三次握手）
老张：我能听到。（第四次握手）
老王和老张Blalalal....。

显然，两次握手根本就无法建立连接，而四次握手虽然可以建立连接，但是耗费资源啊

4.“四次挥手断开连接”

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。断开流程如下图所示：

上图中间的四个箭头即为四次挥手。

官方说明

• 当准备断开TCP连接时，客户端作为主动关闭方向服务端发送一个FIN，用来关闭客户端到服务端的数据传送，此时客户端进入FIN_WAIT1状态。
• 服务端接收到这个FIN后，向客户端发回一个ACK确认包，此时服务端进入CLOSE_WAIT状态。
• 客户端接收到服务端发回的ACK确认包后，进入FIN_WAIT1状态。
• 服务端关闭与客户端的连接，并发送一个FIN给客户端，此时服务端进入LAST_ACK状态。
• 客户端收到服务端发来的FIN包后，发回ACK报文确认，然后进入TIME_WAIT连接度断开状态，等2MSL后客户端即可回到CLOSED可用状态了。
• 服务端接收到ACK后，便进入连接断开状态
  四次挥手只有官方说明没有博主说明，是因为博主还没有相当一个特别恰当的例子来比拟这个过程，等博主想到了再来补上

5.TCP通信十种状态

TCP从连接到断开总共要经历十种状态，如下图：

1. LISTEN：表示服务端的处于连接监听状态，可以接受来自客户端的连接。
2. SYN_SENT：这个状态与SYN_RCV相对应，当客户端SOCKET执行CONNECT连接时，它首先发送SYN报文，因此也随即它会进入到了SYN_SENT状态，并等待服务端的发送三次握手中的第2个报文。SYN_SENT状态表示客户端已发送SYN报文。
3. SYN_RCV：这个状态表示接受到了SYN报文，在正常情况下，这个状态是服务器端的SOCKET在建立TCP连接时的三次握手会话过程中的一个中间状态，很短暂。
4. ESTABLISHED：客户端/服务端连接建立。
5. FIN_WAIT_1：该状态是当客户端SOCKET在ESTABLISHED状态时，它想主动关闭连接，向服务端发送了FIN报文，此时该客户端SOCKET即进入到FIN_WAIT_1状态。
6. CLOSE_WAIT：该状态的含义是表示服务端在等待关闭连接。当客户端关闭SOCKET后发送FIN报文给服务端，服务端毫无疑问地会回应一个ACK报文给客户端，此时服务端则进入到CLOSE_WAIT状态。
7. FIN_WAIT_2：当客户端处于FIN_WAIT_1状态时，当收到服务端回应ACK报文后，则客户端会立即进入到FIN_WAIT_2状态。
8. LAST_ACK：该状态是服务端在发送FIN报文后，最后等待客户端的ACK报文。当收到客户端的ACK报文后，也即可以进入到CLOSED可用状态了。
9. TIME_WAIT：该状态表示客户端收到了服务端的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。
10. CLOSED：这个状态没什么好说的了，表示连接关闭后回到初始状态。

具体流程

连接之前，服务端处于LISTEN(1)状态,当客户端向服务端发送连接请求SYN后，客户端处于SYN_SENT(2)状态，当服务端收到请求并发送回应SYN+ACK后，服务端处于SYN_RECV(3)状态，当客户端收到服务端的回应后，客户端处于已连接ESTABLISHED(4)状态，并向服务端发送ACK,最后服务端也处于已连接ESTABLISHED(4)状态
断开之前，当客户端向服务端发送断开请求FIN之后，客户端处于FIN_WAIT1(1)状态，服务端收到FIN之后，服务端处于CLOSE_WAIT(2)状态，服务端向客户端发送ACK回应，此时客户端处于FIN_WAIT2(3)状态,服务端也即变为LAST_ACK(4)状态，服务端向客户端发送FIN请求，客户端状态变为TIME_WAIT(5),最后，客户端向服务端回应ACK,客户端和服务端状态都变为CLOSED(6)。

6.结语

至此，TCP连接的三次握手和四次挥手全部总结完了，懂没懂就看个人理解了，反正我也是费了好大劲才理清其中的关系。