当前位置：首页 > news >正文

深入理解TCP以及三次握手与四次挥手

news 2025/6/13 17:54:11

一、核心概念和分类

TCP（传输控制协议，Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，属于 OSI模型的第四层（传输层） 和 TCP/IP模型的传输层。以下是其核心概念和分类的详细说明：

1. 所属分类

1.1 网络模型中的位置

OSI模型：TCP属于第四层（传输层），负责在端到端之间提供可靠的数据传输服务。
TCP/IP模型：TCP位于传输层，与IP协议（网络层）共同构成TCP/IP协议栈的核心。

1.2 协议类型

传输层协议：TCP是传输层的典型代表协议，与UDP（用户数据报协议）并列，但两者特性截然不同：
- TCP：面向连接、可靠、有序、流量控制。
- UDP：无连接、不可靠、无序、低开销。

2. 核心概念

2.1 面向连接

连接建立：通过 三次握手（Three-Way Handshake）建立连接，确保双方具备通信能力。
连接终止：通过 四次挥手（Four-Way Handshake）安全关闭连接，避免数据丢失。

2.2 可靠性

确认机制（ACK）：接收方对每个数据包发送确认（ACK），发送方未收到ACK时会重传。
校验和：检测数据传输中的错误。
序列号与确认号：确保数据按顺序到达，并避免重复或丢失。

2.3 基于字节流

非结构化数据：TCP将数据视为连续的字节流（无消息边界），由应用层定义数据格式。
数据分段：根据网络条件（如MTU）将数据分割成适当大小的报文段（Segment）。

2.4 流量控制

滑动窗口机制：动态调整发送窗口大小，避免接收方缓冲区溢出。
接收方反馈：通过窗口字段告知发送方当前可接收的数据量。

2.5 拥塞控制

慢启动（Slow Start）：初始阶段以指数增长速率发送数据。
拥塞避免（Congestion Avoidance）：进入稳定状态后线性增长速率。
快速重传与恢复：检测到丢包时快速调整发送速率，减少网络拥塞。

3. 关键特性

特性	描述
可靠性	通过确认机制、重传机制和校验和确保数据完整性和正确性。
有序性	序列号确保数据按发送顺序重组，避免乱序。
全双工通信	双方可同时发送和接收数据（如HTTP/1.1的请求与响应）。
连接管理	三次握手建立连接，四次挥手终止连接，保证连接的稳定性。
适应性	动态调整传输速率（流量控制、拥塞控制），适应不同网络环境。

4. 与其他协议的对比

协议	特性	适用场景
TCP	面向连接、可靠、有序、高开销	需要可靠传输的场景（如HTTP、FTP、电子邮件）。
UDP	无连接、不可靠、无序、低开销	实时性要求高的场景（如视频流、在线游戏）。

5. 典型应用场景

Web浏览（HTTP/HTTPS）：确保网页内容完整加载。
文件传输（FTP）：保障文件无损传输。
电子邮件（SMTP/POP/IMAP）：可靠传递邮件数据。
远程登录（SSH）：安全、可靠的终端连接。

6. 标准与规范

定义标准：由 IETF RFC 793 首次定义，后续通过 RFC 9293 等文档更新。
标准化组织：国际互联网工程任务组（IETF）负责维护和改进TCP协议。

TCP 协议通过 三次握手 建立连接，通过 四次挥手 终止连接。以下是完整过程、标志位含义及常见问题解析。

二、三次握手（建立连接）

1. 过程详解

第一次握手：

客户端 → 服务器：SYN=1, Seq=x
- SYN（Synchronize，同步）：请求建立连接。
- Seq=x：客户端随机生成初始序列号（Sequence Number），用于标识数据流的起点。

第二次握手：

服务器 → 客户端：SYN=1, ACK=1, Seq=y, Ack=x+1
- SYN=1：服务器同步自己的初始序列号 Seq=y。
- ACK=1（Acknowledgment，确认）：确认号（Acknowledgment Number）有效，表示服务器已收到客户端的 Seq=x，并期望下次收到 x+1 的数据。
- Ack=x+1：对客户端的确认号，确保双方序列号同步。

第三次握手：

客户端 → 服务器：ACK=1, Ack=y+1
- ACK=1：客户端确认服务器的 Seq=y，期望下次收到 y+1 的数据。
- 连接建立完成：双方同步序列号，具备收发能力，进入 ESTABLISHED 状态。

2. 核心目的

防止历史连接干扰：通过同步序列号和三次确认，避免旧请求的SYN报文被误认为新连接。
验证收发能力：确保双方均能发送和接收数据。

三、四次挥手（终止连接）

1. 过程详解

第一次挥手：

客户端 → 服务器：FIN=1, Seq=u
- FIN=1（Finish，结束）：客户端声明“已无数据发送”，请求关闭连接。
- Seq=u：客户端当前发送的数据序列号。

第二次挥手：

服务器 → 客户端：ACK=1, Ack=u+1
- ACK=1：服务器确认收到客户端的 FIN，并期望下次收到 u+1 的数据。
- 服务器进入 CLOSE_WAIT 状态：等待处理剩余数据。

第三次挥手：

服务器 → 客户端：FIN=1, Seq=v
- FIN=1：服务器声明“已无数据发送”，请求关闭连接。
- Seq=v：服务器当前发送的数据序列号。

第四次挥手：

客户端 → 服务器：ACK=1, Ack=v+1
- ACK=1：客户端确认收到服务器的 FIN，连接完全关闭。
- 客户端进入 TIME_WAIT 状态：等待 2MSL（最大报文段生存时间），确保最后一个 ACK 到达服务器。

2. 核心目的

全双工独立关闭：每个方向需独立关闭，确保双方数据传输完成。
防止数据丢失：通过四次确认，避免因未处理完数据而强制关闭连接。

四、TCP 标志位详解

缩写	全称	中文含义	作用
SYN	Synchronize	同步	建立连接时同步序列号（三次握手）
FIN	Finish	结束	请求关闭连接（四次挥手）
ACK	Acknowledgment	确认	确认收到数据或响应（握手/挥手）
RST	Reset	复位	强制终止异常连接（如端口未监听）
PSH	Push	推送	提示接收方立即交付数据（如交互式应用）
URG	Urgent	紧急	标记紧急数据需优先处理

标志位在 TCP 报文段中的位置

TCP 报文段头部包含 20 字节固定字段，其中 Flags 字段 为 6 位，顺序为：
URG | ACK | PSH | RST | SYN | FIN。

五、常见问题与扩展

1. 为什么三次握手？

防止资源浪费：若仅两次握手，服务器收到SYN后分配资源，但客户端可能未响应ACK，导致资源浪费。
同步序列号：三次握手确保双方序列号同步，避免历史报文干扰。

2. 为什么四次挥手？

全双工关闭：客户端和服务器需独立关闭发送通道，四次挥手确保双方确认无数据残留。
避免数据丢失：若合并挥手步骤，服务器可能在未处理完数据时被强制关闭。

3. TIME_WAIT 状态的作用

确保最后一个 ACK 到达：客户端等待 2MSL，防止服务器未收到 ACK 而重传 FIN。
避免旧连接报文干扰：等待足够时间让旧报文段失效，防止新连接误用旧数据。

4. 如何解决 TIME_WAIT 过多？

端口复用：设置 net.ipv4.tcp_tw_reuse=1（Linux）。
缩短超时时间：调整 net.ipv4.tcp_fin_timeout（默认60秒）。

5. CLOSE_WAIT 状态堆积的原因

应用程序未调用 close()：检查代码是否正确关闭连接。
防火墙拦截 FIN 报文：排查网络设备是否丢弃 FIN。

6. RST 的典型场景

异常终止：服务器端口未监听或数据错误时，发送 RST=1 强制关闭连接。
数据错误：接收方检测到非法序列号或数据时，发送 RST=1。

六、TCP 报文段结构简图

  0                   1                   2                   30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|          Source Port          |       Destination Port      |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|                        Sequence Number                        |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|                    Acknowledgment Number                      |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|  Data |           |U|A|P|R|S|F|                               || Offset| Reserved  |R|C|S|S|Y|I|            Window             ||       |           |G|K|H|T|N|N|                               |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|           Checksum            |         Urgent Pointer        |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|                    Options                    |    Padding    |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|                             data                              |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+