TCP的三次握手和四次挥手
1、TCP简介
- 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。数据在传输前要建立连接，传输完毕后还要断开连接。
- 面向连接：一定是一对一才能连接，不能像 UDP 协议可以一个主机同时向多个主机发送消息，也就是一对多是无法做到的。
- 可靠的：无论的网络链路中出现了怎样的链路变化，TCP 都可以保证一个报文一定能够到达接收端。
- 字节流：消息是没有边界的，所以无论我们消息有多大都可以进行传输。并且消息是有序的，当前一个消息没有收到的时候，即使它先收到了后面的字节，那么也不能扔给应用层去处理，同时对重复的报文会自动丢弃。
- 客户端在收发数据前要使用 connect() 函数和服务器建立连接。建立连接的目的是保证IP地址、端口、物理链路等正确无误，为数据的传输开辟通道。
- TCP建立连接时要传输三个数据包，俗称三次握手（Three-way Handshaking）。
2、TCP数据报结构
- 序列号：Seq（Sequence Number）序列号占32位，用来标识从计算机A发送到计算机B的数据包的序列号，计算机发送数据时对此进行标记。
- 确认应答号：Ack（Acknowledge Number）确认应答号占32位，客户端和服务器端都可以发送，Ack = Seq + 1。
- 标志位：每个标志位占用1Bit，共有6个，分别为 URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN，具体含义如下：
- URG：紧急指针（urgent pointer）有效。
- ACK：确认应答号有效。
- PSH：接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
- RST：重置连接。
- SYN：建立一个新连接。
- FIN：断开一个连接。
3、TCP的三次握手
TCP 是面向连接的协议，所以使用 TCP 前必须先建立连接，而建立连接是通过三次握手来进行的。
- 一开始，客户端和服务端都处于
CLOSED状态。先是服务端主动监听某个端口，处于LISTEN状态
- 客户端会随机初始化序列号（
client_isn），将此序号置于 TCP 首部的序列号字段中，同时把SYN标志位置为1，表示SYN报文。接着把第一个SYN报文发送给服务端，表示向服务端发起连接，该报文不包含应用层数据，之后客户端处于SYN-SENT状态。
- 服务端收到客户端的
SYN报文后，首先服务端也随机初始化自己的序列号（server_isn），将此序列号填入 TCP 首部的序列号字段中，其次把 TCP 首部的确认应答号字段填入client_isn + 1, 接着把SYN和ACK标志位置为 1。最后把该报文发给客户端，该报文也不包含应用层数据，之后服务端处于SYN-RCVD状态。
- 客户端收到服务端报文后，还要向服务端回应最后一个应答报文，首先该应答报文 TCP 首部
ACK标志位置为1，其次确认应答号字段填入server_isn + 1，最后把报文发送给服务端，这次报文可以携带客户到服务器的数据，之后客户端处于ESTABLISHED状态。 - 服务器收到客户端的应答报文后，也进入
ESTABLISHED状态。
从上面的过程可以发现第三次握手是可以携带数据的，前两次握手是不可以携带数据的，这也是面试常问的题。
一旦完成三次握手，双方都处于 ESTABLISHED 状态，此时连接就已建立完成，客户端和服务端就可以相互发送数据了。
4、为什么是三次握手？而不是两次握手或四次握手？
- 避免资源浪费
- 同步双方的初始序列号
- 阻止重复历史连接的初始化
TCP 建立连接时，通过三次握手能防止历史连接的建立，能减少双方不必要的资源开销，能帮助双方同步初始序列号。序列号能够保证数据包不重复、不丢弃和按序传输。
不使用两次握手的原因：两次握手无法防止历史连接的建立，会造成双方资源的浪费，也无法可靠的同步双方序列号。
不使用四次握手的原因：三次握手就已经理论上最少可靠连接建立，所以不需要使用更多的通信次数。
5、TCP的四次挥手
所谓的四次挥手即TCP连接的释放（解除）。连接的释放必须是一方主动释放，另一方被动释放。以下为客户端主动发起释放连接的图解：
- 首先客户端想要释放连接，向服务器端发送一段
TCP报文，其中：标记位为FIN，表示“请求释放连接“。序号为Seq=u；随后客户端进入FIN-WAIT-1阶段，即半关闭阶段。并且停止在客户端到服务器端方向上发送数据，但是客户端仍然能接收从服务器端传输过来的数据。注意：这里不发送的是正常连接时传输的数据（非确认报文），而不是一切数据，所以客户端仍然能发送ACK确认报文。 - 服务器端接收到从客户端发出的
TCP报文之后，确认了客户端想要释放连接，随后服务器端结束ESTABLISHED阶段，进入CLOSE-WAIT阶段（半关闭状态）并返回一段TCP报文，其中：标记位为ACK，表示接收到客户端发送的释放连接的请求。序号为Seq=v；确认号为Ack=u+1，表示是在收到客户端报文的基础上，将其序号Seq值加1作为本段报文确认号Ack的值。随后服务器端开始准备释放服务器端到客户端方向上的连接。客户端收到从服务器端发出的TCP报文之后，确认了服务器收到了客户端发出的释放连接请求，随后客户端结束FIN-WAIT-1阶段，进入FIN-WAIT-2阶段前两次挥手既让服务器端知道了客户端想要释放连接，也让客户端知道了服务器端了解了自己想要释放连接的请求。于是，可以确认关闭客户端到服务器端方向上的连接了。 - 服务器端自从发出
ACK确认报文之后，经过CLOSED-WAIT阶段，做好了释放服务器端到客户端方向上的连接准备，再次向客户端发出一段TCP报文，其中：标记位为FIN，ACK，表示已经准备好释放连接了。注意：这里的ACK并不是确认收到服务器端报文的确认报文。序号为Seq=w；确认号为Ack=u+1。表示是在收到客户端报文的基础上，将其序号Seq值加1作为本段报文确认号Ack的值。随后服务器端结束CLOSE-WAIT阶段，进入LAST-ACK阶段。并且停止在服务器端到客户端的方向上发送数据，但是服务器端仍然能够接收从客户端传输过来的数据。 - 客户端收到从服务器端发出的
TCP报文，确认了服务器端已做好释放连接的准备，结束FIN-WAIT-2阶段，进入TIME-WAIT阶段，并向服务器端发送一段报文，其中：标记位为ACK，表示接收到服务器准备好释放连接的信号。序号为Seq=u+1。表示是在收到了服务器端报文的基础上，将其确认号Ack值作为本段报文序号的值。确认号为Ack=w+1。表示是在收到了服务器端报文的基础上，将其序号Seq值作为本段报文确认号的值。随后客户端开始在TIME-WAIT阶段等待2MSL。
5、为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次挥手？
- 因为当
Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。 - 但是关闭连接时，当
Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，“你发的FIN报文我收到了”。 - 只有等到我
Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。
6、TCP的三次握手一定能保证传输可靠吗？
不能。
- 三次握手比两次更可靠，但也不是完全可靠，而追加更多次握手也不能使连接更可靠了。因此选择了三次握手。
- 世界上不存在完全可靠的通信协议。从通信时间成本空间成本以及可靠度来讲，选择了三次握手作为点对点通信的一般规则。
7、为什么客户端在TIME-WAIT阶段要等2MSL?
为的是确认服务器端是否收到客户端发出的ACK确认报文。
当客户端发出最后的ACK确认报文时，并不能确定服务器端能够收到该段报文。所以客户端在发送完ACK确认报文之后，会设置一个时长为2MSL的计时器。MSL指的是Maximum Segment Lifetime：一段TCP报文在传输过程中的最大生命周期。2MSL即是服务器端发出为FIN报文和客户端发出的ACK确认报文所能保持有效的最大时长。
如果服务器端在1MSL内没有收到客户端发出的ACK确认报文，就会再次向客户端发出FIN报文。
如果客户端在2MSL内，再次收到了来自服务器端的FIN报文，说明服务器端由于各种原因没有接收到客户端发出的ACK确认报文。客户端再次向服务器端发出ACK确认报文，计时器重置，重新开始2MSL的计时。否则客户端在2MSL内没有再次收到来自服务器端的FIN报文，说明服务器端正常接收了ACK确认报文，客户端可以进入CLOSED阶段，完成“四次挥手”。所以，客户端要经历时长为2SML的TIME-WAIT阶段；这也是为什么客户端比服务器端晚进入CLOSED阶段的原因。