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计算机网络 TCP三次握手、四次挥手超详细流程【报文交换、状态变化】

ds 2025/8/18 13:11:08

TCP（传输控制协议）是互联网最重要的协议之一，它保证了数据的可靠、有序传输。连接建立时的“三次握手”和连接关闭时的“四次挥手”是其核心机制，涉及特定的报文交换和状态变化。

一、TCP 三次握手（Three-Way Handshake） - 建立连接

目的：同步双方的初始序列号（Sequence Number，简称 Seq），确认对方能够正常收发数据，建立双向连接。

状态变化详细过程：

CLOSED -> LISTEN（服务器端）：
- 服务器启动，调用 listen() 进入 LISTEN 状态，准备接受连接请求。
SYN_SENT（客户端）：
- 客户端调用 connect() 主动发起连接请求。
- 客户端发送一个 SYN 报文：
  - SYN 标志位设置为 1。
  - 随机生成一个初始序列号 client_seq = x。
  - 无确认号（因为还没收到对方的任何序列号）。
- 客户端进入 SYN_SENT 状态（表示已发送 SYN，等待对方的 SYN+ACK）。
LISTEN -> SYN_RCVD（服务器端）：
- 服务器处于 LISTEN 状态，接收到客户端发来的 SYN 报文。
- 服务器决定接受连接，并发送一个 SYN + ACK 报文：
  - SYN 标志位设置为 1。
  - ACK 标志位设置为 1。
  - 随机生成一个初始序列号 server_seq = y。
  - 将确认号 ack = x + 1（因为客户端的 SYN 占用了序列号 x，所以服务器期望收到客户端发来的下一个数据字节的序列号是 x+1）。
- 服务器进入 SYN_RCVD 状态（表示已发送 SYN+ACK，等待客户的 ACK）。
SYN_SENT -> ESTABLISHED（客户端）：
- 客户端处于 SYN_SENT 状态，收到服务器发来的 SYN + ACK 报文。
- 客户端发送一个 ACK 报文：
  - ACK 标志位设置为 1。
  - 序列号 seq = x + 1（因为客户端的 SYN 报文占用了序列号 x，所以下一个报文的序列号是 x+1）。
  - 确认号 ack = y + 1（因为服务器的 SYN 报文占用了序列号 y，所以客户端期望收到服务器发来的下一个数据字节的序列号是 y+1）。
- 客户端进入 ESTABLISHED 状态（表示连接已建立）。
SYN_RCVD -> ESTABLISHED（服务器端）：
- 服务器处于 SYN_RCVD 状态，收到客户端发来的 ACK 报文。
- 服务器验证该 ACK 报文的确认号 ack 是否等于 y + 1。
- 验证通过后，服务器也进入 ESTABLISHED 状态（表示连接已建立）。

至此，双向通信通道建立完成。

二、TCP 四次挥手（Four-Way Handshake） - 关闭连接

目的：双方都确认对方不再发送数据，安全地终止双向连接。

状态变化详细过程：

ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1（主动关闭方 - 通常是客户端）：
- 主动关闭方（A）调用 close() 或进程退出。
- A 发送一个 FIN 报文：
  - FIN 标志位设置为 1。
  - 序列号 seq = u（等于 A 要发送的下一个数据的序列号，但 FIN 消耗一个序列号）。
- A 进入 FIN_WAIT_1 状态（表示已发送 FIN，等待对方的 ACK 或对方的 FIN）。
ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT（被动关闭方）：
- 被动关闭方（B）处于 ESTABLISHED 状态，收到 A 发来的 FIN 报文。
- B 知道自己该方向的数据发送通道将被关闭（应用程序会收到 EOF）。
- B 发送一个 ACK 报文：
  - ACK 标志位设置为 1。
  - 序列号 seq = v（B 自己的下一个序列号）。
  - 确认号 ack = u + 1（表示收到了 A 的 FIN 报文）。
- B 进入 CLOSE_WAIT 状态（表示收到对方的 FIN，自己的关闭过程开始，等待自己的应用程序通知关闭）。此时：A 到 B 的发送通道已关闭（A不再发送数据），但 B 到 A 的发送通道可能还有数据需要发送。
FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2（主动关闭方）：
- A 处于 FIN_WAIT_1 状态，收到 B 发来的 ACK 报文。
- A 验证该 ACK 报文的确认号 ack 是否等于 u + 1。
- 验证通过后，A 进入 FIN_WAIT_2 状态（表示已收到对方对 FIN 的 ACK，等待对方发送 FIN）。
CLOSE_WAIT -> LAST_ACK（被动关闭方）：
- B 处于 CLOSE_WAIT 状态，完成了自己方向的数据发送（应用程序调用 close()）。
- B 发送一个 FIN 报文：
  - FIN 标志位设置为 1。
  - 序列号 seq = w（这个序列号可能等于 v（如果 CLOSE_WAIT 期间 B 没有发数据）或大于 v（如果 B 发过数据））。
  - 确认号 ack 仍然是 u + 1（因为在这个方向上 A 没有新数据）。
- B 进入 LAST_ACK 状态（表示自己已发送 FIN，等待对方最后的 ACK）。
FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT（主动关闭方）：
- A 处于 FIN_WAIT_2 状态，收到 B 发来的 FIN 报文。
- A 发送一个 ACK 报文：
  - ACK 标志位设置为 1。
  - 序列号 seq = u + 1（之前的 FIN 报文序列号是 u）。
  - 确认号 ack = w + 1（确认 B 的 FIN 报文）。
- A 进入 TIME_WAIT 状态（也称为 2MSL Wait 状态）。此状态会持续一段时间（通常为 2 * Maximum Segment Lifetime (MSL)，默认在 Linux 中是 60 秒）。
LAST_ACK -> CLOSED（被动关闭方）：
- B 处于 LAST_ACK 状态，收到 A 发来的 ACK 报文。
- B 验证该 ACK 报文的确认号 ack 是否等于 w + 1。
- 验证通过后，B 关闭连接，进入 CLOSED 状态。
TIME_WAIT -> CLOSED（主动关闭方）：
- A 在 TIME_WAIT 状态等待 2MSL 时间。
- 目的：
  - 确保最后一个 ACK 报文送达 B： 如果 B 没有收到最后一个 ACK（它在 LAST_ACK 状态等待），会在超时后重发 FIN。处于 TIME_WAIT 的 A 收到这个重发的 FIN，会再次发送 ACK。
  - 确保网络中所有旧的报文段消散： 防止具有相同四元组（源IP、源端口、目的IP、目的端口）的下一个新连接，错误地接收和处理上一个旧连接的残留报文。
- 2MSL 时间到，A 关闭连接，进入 CLOSED 状态。

至此，连接完全终止。

核心问题解答

为什么需要“三次”握手？两次握手不行吗？

不行。 原因主要有：

避免失效连接请求造成的资源浪费和历史连接问题：
- 场景： 假设客户端发送了第一个 SYN=1 请求（X），但因网络拥塞严重延迟。客户端超时未收到响应，会重发第二个 SYN=1 请求（Y）。Y 成功到达，服务器响应 SYN+ACK，客户端也响应 ACK，完成三次握手建立连接。通信结束，连接关闭。
- 问题： 现在那个延迟了的初始 SYN 请求 X 终于到达了服务器。如果只有两次握手（服务器收到 SYN -> 响应 SYN+ACK -> 建立连接），服务器会误以为这是一个新的连接请求（历史连接），并立即为其分配资源（建立连接表项、分配缓冲区等）。
- 后果： 服务器资源被无意义占用（因为客户端此时根本不知道还有这个连接存在，也不会发送数据）。此外，如果这个“幽灵连接”被分配了新的序列号，也可能干扰后续真正的新连接（相同端口复用）。
- **解决：**三次握手中的第三次握手（ACK）就是客户端的明确确认信号。 当那个延迟的 SYN 包 X 到达服务器时，服务器会发送 SYN+ACK，但客户端已经关闭了最初的连接意图，它会忽略这个 SYN+ACK 或者发送 RST 拒绝。这样服务器就不会为这个无效请求建立连接。
初始序列号同步的双向确认：
- 通信双方都需要知道对方的初始序列号。两次握手只能确保客户端知道服务器的初始序列号（在服务器的 SYN+ACK 中），并确认服务器的发送能力。但服务器在第二次握手时发送的 SYN+ACK，并未得到客户端的确认（仅两次握手的话，服务器在第二步就认为连接建立了）。
- 问题： 服务器不知道客户端是否成功收到了自己的序列号 y。如果这个 SYN+ACK 丢失了，服务器认为自己建立了连接（已发送SYN+ACK -> 等待ACK），但客户端还在等待 SYN+ACK（它没收到），双方状态不一致。
- **解决：**第三次握手的 **ACK** 报文明确告诉服务器：“我收到了你的初始序列号 **y**，我期望的下一个序列号是 **y+1**”。 这完成了服务器序列号的同步确认。

总结： 三次握手是保证可靠性、防止建立错误连接、且完成序列号双向同步确认的最小开销方案。

为什么需要“四次”挥手？

主要原因是：TCP 连接是全双工（Full-Duplex）的。

双向独立的关闭通道：
- 当客户端发送 FIN 时，表示它数据发送完毕（不再往服务器写数据），但服务器到客户端方向的数据发送通道并未立即关闭。
- 服务器收到 FIN 后，知道自己该方向的数据接收通道已关闭（收到EOF），但需要检查自己的应用程序是否还有数据要发送给客户端。如果还有数据要发送（比如最后要确认客户端请求操作成功的消息），服务器会在 CLOSE_WAIT 状态继续发送这些数据。
- 只有等待服务器自己也确定所有数据都发送完毕（应用层调用 close()）时，它才会发送自己的 FIN 来关闭“服务器->客户端”方向的发送通道。
- 因此，关闭连接需要四个步骤：
  - A -> B 发送 FIN：关闭 A 的发送通道。
  - B -> A 发送 ACK：确认收到 A 的 FIN。此时 B 的接收通道关闭（知道 A 不再发数据）。
  - B -> A 发送 FIN：关闭 B 的发送通道。（这条 FIN 的发送时间独立于前面的 ACK）
  - A -> B 发送 ACK：确认收到 B 的 FIN。
FIN 和 ACK 可能无法合并：
- 当 B 收到 A 的 FIN 时，它必须立即响应一个 ACK（这是协议要求）。但此时 B 的应用程序可能还未决定关闭/发送完自己的数据（处于 CLOSE_WAIT 状态），因此 B 的 FIN 报文无法像第二次握手（SYN+ACK）那样与此时的 ACK 合并发送。ACK 必须在收到 FIN 后立即发送，而 FIN 必须等 B 准备好关闭其发送端时才发送。