TCP 三次握手和四次挥手

TCP 连接建立和断开的过程及原理

问题

TCP 是如何建立连接和断开连接的？为什么需要三次握手和四次挥手？

TCP 通过三次握手建立连接，过程如下：

第一次握手

客户端从 CLOSED 状态发起连接。客户端随机生成初始序号 client_isn，将其放入 TCP 首部的序号字段，同时将 SYN 标志位置为 1，发送 SYN 报文给服务端。此时客户端进入 SYN-SENT 状态。

第二次握手

服务端收到 SYN 报文后，也随机生成自己的初始序号 server_isn，将其放入序号字段，同时将确认应答号字段设为 client_isn + 1，并将 SYN 和 ACK 标志位都置为 1，发送给客户端。此时服务端进入 SYN-RCVD 状态。

第三次握手

客户端收到服务端报文后，发送最后一个应答报文。将 ACK 标志位置为 1，确认应答号字段设为 server_isn + 1，发送给服务端。这个报文可以携带数据。之后客户端进入 ESTABLISHED 状态。

服务端收到第三次握手的报文后，也进入 ESTABLISHED 状态，连接建立完成。

为什么需要三次握手？

两次握手不够的原因：

防止无效连接浪费资源。如果客户端发送的 SYN 报文因网络延迟滞留，客户端超时后重发并完成连接。当旧的 SYN 报文最终到达服务端时，如果只有两次握手，服务端会误认为客户端要建立新连接，白白开启端口等待，造成资源浪费。
确认双方收发能力正常。三次握手可以让双方都确认对方能够正常接收和发送数据，确保连接的可靠性。
同步双方的初始序号。通过三次握手，双方都能确认对方的初始序号，为后续数据传输做准备。

TCP 通过四次挥手断开连接，任何一方都可以主动发起。以客户端主动关闭为例：

第一次挥手

客户端发送 FIN 报文（FIN 标志位置为 1），表示不再发送数据。客户端进入 FIN_WAIT_1 状态。

第二次挥手

服务端收到 FIN 报文后，发送 ACK 应答报文，进入 CLOSED_WAIT 状态。客户端收到 ACK 后进入 FIN_WAIT_2 状态。

第三次挥手

服务端处理完剩余数据后，发送 FIN 报文给客户端，表示也不再发送数据。服务端进入 LAST_ACK 状态。

第四次挥手

客户端收到服务端的 FIN 报文后，发送 ACK 应答报文，进入 TIME_WAIT 状态。服务端收到 ACK 后进入 CLOSED 状态。客户端等待 2MSL 后也进入 CLOSED 状态，连接完全关闭。

为什么需要四次挥手？

因为 TCP 是全双工通信，关闭连接时需要分别关闭两个方向的数据传输：

服务端的 ACK 和 FIN 需要分开发送，所以比三次握手多一次。

为什么 TIME_WAIT 要等待 2MSL？

MSL（Maximum Segment Lifetime）是 TCP 报文的最大生存时间。等待 2MSL 的原因：

确保服务端收到最后的 ACK。如果服务端没收到 ACK，会重发 FIN 报文。客户端在 1MSL 内可能收到重发的 FIN，再次发送 ACK 并重置计时器。
确保旧连接的报文在网络中消失。等待 2MSL 可以让本连接的所有报文都从网络中消失，避免旧连接的报文影响新连接。

如果 2MSL 内没有收到服务端的 FIN 重传，说明服务端已正常收到 ACK，客户端可以安全关闭连接。