TCP三次握手、四次挥手过程及原理

TCP 协议简述
TCP 提供面向有链接的通讯传输，面向有链接是指在传送数据以前必须先创建链接，数据传送完成后要释放链接。
不管哪一方向另外一方发送数据以前，都必须先在双方之间创建一条链接。在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的链接服务，链接是经过三次握手进行初始化的。
同时因为TCP协议是一种面向链接的、可靠的、基于字节流的运输层通讯协议，TCP是全双工模式，因此须要四次挥手关闭链接。

TCP包首部
网络中传输的数据包由两部分组成：一部分是协议所要用到的首部，另外一部分是上一层传过来的数据。首部的结构由协议的具体规范详细定义。在数据包的首部，明确标明了协议应该如何读取数据。反过来讲，看到首部，也就可以了解该协议必要的信息以及所要处理的数据。包首部就像协议的脸。

因此咱们在学习TCP协议以前，首先要知道TCP在网络传输中处于哪一个位置，以及它的协议的规范，下面咱们就看看TCP首部的网络传输起到的做用：

下面的图是TCP头部的规范定义，它定义了TCP协议如何读取和解析数据：

TCP首部承载这TCP协议须要的各项信息，下面咱们来分析一下：

• TCP端口号:
  TCP的链接是须要四个要素肯定惟一一个链接：
  （源IP，源端口号）+ （目地IP，目的端口号）
  因此TCP首部预留了两个16位做为端口号的存储，而IP地址由上一层IP协议负责传递
  源端口号和目地端口各占16位两个字节，也就是端口的范围是2^16=65535
  另外1024如下是系统保留的，从1024-65535是用户使用的端口范围

• TCP的序号和确认号：
  32位序号 seq：Sequence number 缩写seq ，TCP通讯过程当中某一个传输方向上的字节流的每一个字节的序号，经过这个来确认发送的数据有序，好比如今序列号为1000，发送了1000，下一个序列号就是2000。
  32位确认号 ack：Acknowledge number 缩写ack，TCP对上一次seq序号作出的确认号，用来响应TCP报文段，给收到的TCP报文段的序号seq加1。

• TCP的标志位
  每一个TCP段都有一个目的，这是借助于TCP标志位选项来肯定的，容许发送方或接收方指定哪些标志应该被使用，以便段被另外一端正确处理。
  用的最普遍的标志是 SYN，ACK 和 FIN，用于创建链接，确认成功的段传输，最后终止链接。

1. SYN：简写为S，同步标志位，用于创建会话链接，同步序列号；
2. ACK： 简写为.，确认标志位，对已接收的数据包进行确认；
3. FIN： 简写为F，完成标志位，表示我已经没有数据要发送了，即将关闭链接；
4. PSH：简写为P，推送标志位，表示该数据包被对方接收后应当即交给上层应用，而不在缓冲区排队；
5. RST：简写为R，重置标志位，用于链接复位、拒绝错误和非法的数据包；
6. URG：简写为U，紧急标志位，表示数据包的紧急指针域有效，用来保证链接不被阻断，并督促中间设备尽快处理；

TCP 三次握手创建链接
所谓三次握手(Three-way Handshake)，是指创建一个 TCP 链接时，须要客户端和服务器总共发送3个报文。

三次握手的目的是链接服务器指定端口，创建 TCP 链接，并同步链接双方的序列号和确认号，交换 TCP 窗口大小信息。在 socket 编程中，客户端执行 connect() 时。将触发三次握手。

三次握手过程的示意图以下：

• 第一次握手：

• 客户端将TCP报文标志位SYN置为1，随机产生一个序号值seq=J，保存在TCP首部的序列号(Sequence Number)字段里，指明客户端打算链接的服务器的端口，并将该数据包发送给服务器端，发送完毕后，客户端进入SYN_SENT状态，等待服务器端确认。

• 第二次握手：

• 服务器端收到数据包后由标志位SYN=1知道客户端请求创建链接，服务器端将TCP报文标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个序号值seq=K，并将该数据包发送给客户端以确认链接请求，服务器端进入SYN_RCVD状态。

• 第三次握手：

• 客户端收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，若是正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给服务器端，服务器端检查ack是否为K+1，ACK是否为1，若是正确则链接创建成功，客户端和服务器端进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后客户端与服务器端之间能够开始传输数据了。

注意:咱们上面写的ack和ACK，不是同一个概念：

• 小写的ack表明的是头部的确认号Acknowledge number， 缩写ack，是对上一个包的序号进行确认的号，ack=seq+1。

• 大写的ACK，则是咱们上面说的TCP首部的标志位，用于标志的TCP包是否对上一个包进行了确认操做，若是确认了，则把ACK标志位设置成1。

下面我本身作实验，开一个HTTP服务，监听80端口，而后使用Tcpdump命令抓包，看一下TCP三次握手的过程：

1. sudo tcpdump -n -t -S -i enp0s3  port 80 


4. 第一次握手，标志位Flags=S
5. IP 10.0.2.2.51323 > 10.0.2.15.80: Flags [S], seq 84689409, win 65535, options [mss 1460], length 0
6. 第二次握手，标志位Flags=[S.]
7. IP 10.0.2.15.80 > 10.0.2.2.51323: Flags [S.], seq 1893430205, ack 84689410, win 64240, options [mss 1460], length 0
8. 第三次握手，标志位Flags=[.]
9. IP 10.0.2.2.51323 > 10.0.2.15.80: Flags [.], ack 1893430206, win 65535, length 0
10. 创建链接后，客户端发送http请求 
11. IP 10.0.2.2.51321 > 10.0.2.15.80: Flags [P.], seq 1:753, ack 1, win 65535, length 752: HTTP: GET / HTTP/1.1

tcpdump命令解析一下：
-i : 指定抓包的网卡是enp0s3
-n: 把域名转成IP显示
-t: 不显示时间
-S: 序列号使用绝对数值，不指定-S的话，序列号会使用相对的数值
port: 指定监听端口是80
host:指定监听的主机名

咱们看下实战中TCP的三次握手过程：

• 第一次握手，客户端51323端口号向服务器端80号端口发起链接，此时标志位flags=S，即SYN=1标志，表示向服务端发起链接的请求，同时生成序列号seq=84689409
• 第二次握手，服务端标志位flags=[S.]，即SYN+ACK标志位设置为1，表示对上一个请求链接的报文进行确认，同时设置ack=seq+1=184689410，生成序列号seq=1893430205
• 第三次握手，客户端对服务端的响应进行确认，因此此时标志位是[.]即ACK=1，同时返回对上一个报文的seq的确认号，ack=1893430206

至此，三次握手完成，一个TCP链接创建完成，接下来就是双端传输数据了

为何须要三次握手？
咱们假设client发出的第一个链接请求报文段并无丢失，而是在某个网络结点长时间的滞留了，以至延误到链接释放之后的某个时间才到达server。

原本这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的链接请求报文段后，就误认为是client再次发出的一个新的链接请求。因而就向client发出确认报文段，赞成创建链接。

假设不采用“三次握手”，那么只要server发出确认，新的链接就创建了。因为如今client并无发出创建链接的请求，所以不会理睬server的确认，也不会向server发送数据。但server却觉得新的运输链接已经创建，并一直等待client发来数据。这样，server的不少资源就白白浪费掉了。

因此，采用“三次握手”的办法能够防止上述现象发生。例如刚才那种状况，client不会向server的确认发出确认。server因为收不到确认，就知道client并无要求创建链接。

TCP 三次握手跟现实生活中的人与人打电话是很相似的：

三次握手：

“喂，你听获得吗？”
“我听获得呀，你听获得我吗？”
“我能听到你，今天 balabala……”

TCP 四次挥手关闭链接
四次挥手即终止TCP链接，就是指断开一个TCP链接时，须要客户端和服务端总共发送4个包以确认链接的断开。在socket编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发。
因为TCP链接是全双工的，所以，每一个方向都必需要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的链接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，可是在这个TCP链接上仍然可以发送数据，直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另外一方则执行被动关闭。

四次挥手过程的示意图以下：

挥手请求能够是Client端，也能够是Server端发起的，咱们假设是Client端发起：

• 第一次挥手： Client端发起挥手请求，向Server端发送标志位是FIN报文段，设置序列号seq，此时，Client端进入FIN_WAIT_1状态，这表示Client端没有数据要发送给Server端了。
• 第二次分手：Server端收到了Client端发送的FIN报文段，向Client端返回一个标志位是ACK的报文段，ack设为seq加1，Client端进入FIN_WAIT_2状态，Server端告诉Client端，我确认并赞成你的关闭请求。
• 第三次分手： Server端向Client端发送标志位是FIN的报文段，请求关闭链接，同时Client端进入LAST_ACK状态。
• 第四次分手 ： Client端收到Server端发送的FIN报文段，向Server端发送标志位是ACK的报文段，而后Client端进入TIME_WAIT状态。Server端收到Client端的ACK报文段之后，就关闭链接。此时，Client端等待2MSL的时间后依然没有收到回复，则证实Server端已正常关闭，那好，Client端也能够关闭链接了。

为何链接的时候是三次握手，关闭的时候倒是四次握手？

创建链接时由于当Server端收到Client端的SYN链接请求报文后，能够直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。因此创建链接只须要三次握手。

因为TCP协议是一种面向链接的、可靠的、基于字节流的运输层通讯协议，TCP是全双工模式。
这就意味着，关闭链接时，当Client端发出FIN报文段时，只是表示Client端告诉Server端数据已经发送完毕了。当Server端收到FIN报文并返回ACK报文段，表示它已经知道Client端没有数据发送了，可是Server端仍是能够发送数据到Client端的，因此Server极可能并不会当即关闭SOCKET，直到Server端把数据也发送完毕。
当Server端也发送了FIN报文段时，这个时候就表示Server端也没有数据要发送了，就会告诉Client端，我也没有数据要发送了，以后彼此就会愉快的中断此次TCP链接。

为何要等待2MSL？
MSL：报文段最大生存时间，它是任何报文段被丢弃前在网络内的最长时间。
有如下两个缘由：

• 第一点：保证TCP协议的全双工链接可以可靠关闭：
  因为IP协议的不可靠性或者是其它网络缘由，致使了Server端没有收到Client端的ACK报文，那么Server端就会在超时以后从新发送FIN，若是此时Client端的链接已经关闭处于CLOESD状态，那么重发的FIN就找不到对应的链接了，从而致使链接错乱，因此，Client端发送完最后的ACK不能直接进入CLOSED状态，而要保持TIME_WAIT，当再次收到FIN的收，可以保证对方收到ACK，最后正确关闭链接。

• 第二点：保证此次链接的重复数据段从网络中消失
  若是Client端发送最后的ACK直接进入CLOSED状态，而后又再向Server端发起一个新链接，这时不能保证新链接的与刚关闭的链接的端口号是不一样的，也就是新链接和老链接的端口号可能同样了，那么就可能出现问题：若是前一次的链接某些数据滞留在网络中，这些延迟数据在创建新链接后到达Client端，因为新老链接的端口号和IP都同样，TCP协议就认为延迟数据是属于新链接的，新链接就会接收到脏数据，这样就会致使数据包混乱。因此TCP链接须要在TIME_WAIT状态等待2倍MSL，才能保证本次链接的全部数据在网络中消失。

本文转自csdn码农富哥