如何理解TCP中「三次握手」和「四次挥手」

[Rcong]

说起计算机网络知识中的「三次握手」和「四次挥手」，比较基础的印象就是SYN的请求与ACK、SYN的回传，FIN的请求断开等概念，描述起来只是浮于表面，所以补了一下这方面的知识，形成这篇手记。

先看一次http的请求过程：

1. TCP建立连接
2. 客户端发起请求
3. 服务端响应
4. 服务端断开TCP连接

HTTP的下层使用了 TCP/IP的协议，所以要了解「三次握手」和「四次挥手」细节的时候，TCP相关的知识是绕不开的。

什么是TCP协议

TCP（Transmission Control Protocol 传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。为了提供可靠性传输，实行顺序控制和重发控制等机制。在计算机网络OSI模型中，他完成了传输层（第四层）的工作。

了解了这个协议之后，下面来看下这个TCP的内部结构，下文的理解都是建立在对于其中一些重要字段的含义之上的。

TCP的头部格式

源端口号（16位）、目标端口号（16位）

各占用16位字节，表示发送端端口号和接收端端口号。这端口号加上IP首部中的源端IP地址和目的端IP地址就能唯一确定一个TCP的连接。

序号（Sequence Number） - 发送数据的顺序编号（32位）

占用32位字节，序号用来标识从TCP发送端向TCP接受端发送的数据字节流, 它表示在这个报文段中的第一个数据字节在数据流中的位置。

确认应答号（ack号）- 接收数据的顺序编号（32位）

表示了接收方告知发送方接收方期望收到的下一个字节序号。

首部长度（数据偏移量）（4位）

占用4位字节，表示了TCP传输的数据部分应该从TCP包的哪个位开始计算。也表示了TCP包首部长度。

保留（4位）

占用4位字节，该字段为保留，为以后扩展使用，现在未使用。

控制位（6位）

该字段中的每个比特分别表示以下通信控制含义。

• URG: 表示紧急指针字段有效

• PSH: 表示通过push操作发送的数据，为1的时候接收方收到数据立马上传给上层应用协议，为0的时候不是立马上传而是先缓存起来

• RST: 复位连接，强制断开连接，用于异常中断的情况。

• ACK: 表示接收数据序号字段有效，为1时表示数据已被接收方收到，为0时没有收到。

注：这里的ACK标志位和上文提到的确认应答号（ack号）是两个概念。

• SYN: 用于建立连接时候同步序号使用。SYN与ACK搭配使用：当请求建立连接时，SYN=1，ACK=0；连接被响应时，SYN=1，ACK=1；

• FIN: 为1时表示，表示不会将有数据传送，连接将会断开。双方主机交换FIN为1的TCP包，各自对对方的FIN为1的TCP包确认应答后就可以断开。

窗口（16位）

占用16位字节，用于流量控制。通知从相同TCP首部的ack号所指位置开始能够接受的数据大小。TCP不允许发送超过此处所示大小的数据。

在理解了这些头部字段的含义后，再来重新审视一下「三次握手」和「四次挥手」的过程。

TCP的三次握手

• 开始双方都处于关闭状态（closed），显示服务器先监听某一个端口，处于监听状态（Listen）。

• 第一次握手：建立连接时，客户端主动发送报文段（SYN=1，seq=x）到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认；

• 第二次握手：服务器收到SYN报文段，必须确认客户的报文段。此时会响应一个报文段，这个报文段的SYN=1，控制位ACK=1，ack号=x+1（对应第一次握手中的seq数+1），seq=y，然后服务器进入SYN_RECV状态。

• 第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包后，需要响应服务器的应答应答报文段一个报文段，这个报文段的控制位ACK=1，ack号=y+1（对应第二次握手中的seq数+1），seq=x+1（对应第二次我手中的ack号），然后客户端进入建立连接（ESTABLISHED）的状态，服务端接受到这个报文段后也进入建立连接（ESTABLISHED）的状态。

这三个报文段完成连接的建立过程就是三次握手。

看完了建立连接，再来看一下断开连接。

TCP的四次挥手

当建立起TCP连接之后，客户端和服务器端传输完数据，两端就要断开TCP连接，于是就有了四次挥手。

• 第一次挥手：关闭方A发送一个报文段（seq=p，FIN=1），然后进入FIN_WAIT_1状态，发送FIN标志位，表示关闭方A将不会再有数据传送，连接将会断开。
• 第二次挥手：接收方B收到的关闭方A的FIN报文段，会响应一个方的报文段，该报文段的控制位ACK=1，ack号为p+1（对应第一次回收中的seq数p加1），然后进入CLOSED_WAIT状态。这个过程表示了接收方收到了关闭方的关闭请求。
• 第三次挥手：接收方B发出FIN报文段（FIN=1，seq=q，ack=p+1，控制位ACK=1），然后进入LAST_ACK状态。
• 第四次挥手：关闭方A收到接收方B的FIN报文段，会响应一个报文段该报文段的控制位ACK=1，ack号为q+1（对应第三次回收中的seq数q加1），然后关闭方A就进入TIME_WAIT状态。接收方B收到响报文段之后，就关闭连接（CLOSED），关闭方A等待2MSL后没有收到回复，则关闭方A也关闭连接进入CLOSED状态。

注:MSL是Maximum Segment Lifetime，报文最大生存时间，它是任何报文在网络上存在的最长时间，超过这个时间报文将被丢弃。

四次挥手的过程可以形象地理解为一问一答，双方都经过了这个过程就可以结束这个连接了。

小结

「三次握手」和「四次挥手」的基本过程就结束了，但是TCP协议中还有许多可以去深挖的点，有兴趣的话可以读一下《TCP-IP详解》、《图解TCP IP》，这两本书也是本篇手记的参考资料。有机会读完再和大家分享一下。

参考

• 《TCP/IP详解》
• 《图解TCP/IP》
• 极客时间-趣谈网络协议
• TCP的三次握手(建立连接）和四次挥手(关闭连接）
• TCP三次握手详解及释放连接过程
• 通俗大白话来理解TCP协议的三次握手和四次分手