TCP三次握手与四次挥手

Posted 2020-11-28 zekichen

一、网络模型

网络模型一般是指OSI七层参考模型和TCP/IP四层参考模型。这两个模型在网络中应用最为广泛。

提问：各层的网络协议有哪些？（以下只是部分）

• 应用层：HTTP、SMTP、SSH
• 传输层：TCP、UDP 
• 网络层：IP、路由表
• 网络接口层：以太网

二、TCP连接

1、TCP连接的特点：

• 面向连接的、可靠的传输协议。
• TCP连接不是物理连接（不是电线的两端连接），只有建立TCP连接之后，客户端和服务端才可以开辟资源，比如建立Socket连接。
• 用户进程与服务器进程完成一次通信都需要完成三个阶段：建立连接、传输数据、断开连接。
• TCP建立连接需要三次握手，断开连接需要四次挥手。

2、TCP连接过程

（本文暂时跳过了序列号seq和确认号ack的讲解，只讲以下3个标志位）

（1）标志位

• SYN（Synchronize）：发起建立连接的标志。
• ACK（Acknowledge）：确认/应答的标志。
• FIN（Finally）：发起断开连接的标志。

（2）TCP连接的两端

• 客户端：主动打开/关闭连接的一方。
• 服务端：被动打开/关闭连接的一方。

（3）三次握手过程：

• 第一次握手：客户端首先发送一个带有SYN的报文给服务端，表示请求建立连接，并进入SYN-SENT（同步已发送）状态，等待服务端确认。
• 第二次握手：服务端发送一个带有SYN+ACK的报文给客户端，表示收到并确认客户端发送的连接请求报文，同时服务端也请求和客户端建立连接，此时服务端进入SYN-RCVD（同步收到）状态。
• 第三次握手：客户端会再一次发送一个带有ACK的报文给服务端，表示客户端也确认收到服务端的应答和连接请求报文。当服务端收到报文后，客户端和服务端进入ESTAB-LISHED（已建立连接）状态，至此完成三次握手，双方正式建立了连接通信，可以进行数据传输。

提问：为什么TCP建立连接是三次握手而不能是两次握手？

通信是双向的，目的是为了双方彼此建立可靠的连接。如果仅仅是两次握手，仅客户端能够确认服务端的应答，而服务端无法确认客户端是否收到服务端的连接请求，所以客户端仍需再一次发送ACK报文给服务端表示应答，服务端收到后双方才算正式建立连接通信。

（4）四次挥手过程：

• 第一次挥手：客户端首先发送一个带有FIN的报文给服务端，表示请求断开连接，即客户端已经没有数据要发送了，此时客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。
• 第二次挥手：服务端发送一个带有ACK的报文给客户端，表示确认收到客户端的断开连接请求报文，此时服务端进入CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。客户端收到服务端的应答后，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态。这个时候如果服务端继续发送数据，客户端依然要接受。
• 第三次挥手：服务端再最后的数据发送完毕后，会再次发送一个带有FIN+ACK的报文给客户端，表示服务端此时同意断开连接，并向客户端请求断开连接，此时服务端进入LAST-ACK（最后确认）状态。
• 第四次挥手：客户端再次收到服务端的应答和断开连接请求报文后，会再一次发送一个带有ACK的报文给服务端，表示客户端也确认收到服务端的断开连接请求，此时客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态，当服务端收到客户端的应答报文后，就立刻进入CLOSED（关闭连接）状态，而客户端必须经过2MSL（最长报文段寿命）的时间、并且这个期间没有再次收到FIN报文，才进入CLOSED状态。可以看到，服务端结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

提问：为什么TCP断开连接需要四次挥手？

因为TCP连接是可靠的连接。当服务端收到FIN报文后，很可能不会立即关闭Socket，因为此时服务端的数据传输可能还没发送完毕，所以此时只能先回一个ACK报文，告诉客户端：“你发的FIN报文我收到了，只有等我所有数据都发送完毕，我才能发送FIN报文给你”。因此不能在第二次挥手的时候就一起发送ACK+FIN报文，故需要四次挥手。

提问：为什么客户端TIME_WAIT状态需要等待2MSL(最大报文段生存时间)才能进入CLOSE状态？ 

假设网络是不可靠的，有可能客户端最后发送的ACK报文丢失，此时服务端没有收到客户端的应答，会不断发送FIN报文给客户端，所以TIME-WAIT状态就是客户端用来重发可能丢失的ACK报文，它必须确认服务端收到了ACK报文。客户端会设置一个计时器，等待2MSL的时间，如果在该时间内再次收到FIN报文，客户端会重发ACK数据并再次等待2MSL，直到这2MSL时间内都没收到服务端的FIN报文，客户端才推断ACK报文被服务端成功接收，此时才结束客户端的TCP连接。

（所谓的2MSL是指两倍的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长时间）

补充：知乎上有个形象的示例，再次说明TCP连接为什么是三次握手，而不是两次或四次？