TCP/IP三次握手與四次握手

原文地址?http://blog.csdn.net/whuslei/article/details/6667471

http://blog.csdn.net/wo2niliye/article/details/48447933

建立TCP需要三次握手才能建立，而斷開連接則需要四次握手。整個過程如下圖所示：

先來看看如何建立連接的。

首先Client端發送連接請求報文，Server段接受連接后回復ACK報文，并為這次連接分配資源。Client端接收到ACK報文后也向Server段發生ACK報文，并分配資源，這樣TCP連接就建立了。

那如何斷開連接呢？簡單的過程如下：

【注意】中斷連接端可以是Client端，也可以是Server端。

假設Client端發起中斷連接請求，也就是發送FIN報文。Server端接到FIN報文后，意思是說"我Client端沒有數據要發給你了"，但是如果你還有數據沒有發送完成，則不必急著關閉Socket，可以繼續發送數據。所以你先發送ACK，"告訴Client端，你的請求我收到了，但是我還沒準備好，請繼續你等我的消息"。這個時候Client端就進入FIN_WAIT狀態，繼續等待Server端的FIN報文。當Server端確定數據已發送完成，則向Client端發送FIN報文，"告訴Client端，好了，我這邊數據發完了，準備好關閉連接了"。Client端收到FIN報文后，"就知道可以關閉連接了，但是他還是不相信網絡，怕Server端不知道要關閉，所以發送ACK后進入TIME_WAIT狀態，如果Server端沒有收到ACK則可以重傳。“，Server端收到ACK后，"就知道可以斷開連接了"。Client端等待了2MSL后依然沒有收到回復，則證明Server端已正常關閉，那好，我Client端也可以關閉連接了。Ok，TCP連接就這樣關閉了！

整個過程Client端所經歷的狀態如下：

而Server端所經歷的過程如下：轉載請注明:blog.csdn.net/whuslei

【注意】?在TIME_WAIT狀態中，如果TCP client端最后一次發送的ACK丟失了，它將重新發送。TIME_WAIT狀態中所需要的時間是依賴于實現方法的。典型的值為30秒、1分鐘和2分鐘。等待之后連接正式關閉，并且所有的資源(包括端口號)都被釋放。

【問題1】為什么連接的時候是三次握手，關閉的時候卻是四次握手？
答：因為當Server端收到Client端的SYN連接請求報文后，可以直接發送SYN+ACK報文。其中ACK報文是用來應答的，SYN報文是用來同步的。但是關閉連接時，當Server端收到FIN報文時，很可能并不會立即關閉SOCKET，所以只能先回復一個ACK報文，告訴Client端，"你發的FIN報文我收到了"。只有等到我Server端所有的報文都發送完了，我才能發送FIN報文，因此不能一起發送。故需要四步握手。

【問題2】為什么TIME_WAIT狀態需要經過2MSL(最大報文段生存時間)才能返回到CLOSE狀態？

答：雖然按道理，四個報文都發送完畢，我們可以直接進入CLOSE狀態了，但是我們必須假象網絡是不可靠的，有可以最后一個ACK丟失。所以TIME_WAIT狀態就是用來重發可能丟失的ACK報文。

一、TCP報文格式

TCP/IP協議的詳細信息參看《TCP/IP協議詳解》三卷本。下面是TCP報文格式圖：

圖1 TCP報文格式

上圖中有幾個字段需要重點介紹下：

（1）序號：Seq序號，占32位，用來標識從TCP源端向目的端發送的字節流，發起方發送數據時對此進行標記。

（2）確認序號：Ack序號，占32位，只有ACK標志位為1時，確認序號字段才有效，Ack=Seq+1。

（3）標志位：共6個，即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等，具體含義如下：

（A）URG：緊急指針（urgent pointer）有效。

（B）ACK：確認序號有效。

（C）PSH：接收方應該盡快將這個報文交給應用層。

（D）RST：重置連接。

（E）SYN：發起一個新連接。

（F）FIN：釋放一個連接。

需要注意的是：

（A）不要將確認序號Ack與標志位中的ACK搞混了。

（B）確認方Ack=發起方Req+1，兩端配對。?

二、三次握手

所謂三次握手（Three-Way Handshake）即建立TCP連接，就是指建立一個TCP連接時，需要客戶端和服務端總共發送3個包以確認連接的建立。在socket編程中，這一過程由客戶端執行connect來觸發，整個流程如下圖所示：

圖2 TCP三次握手

（1）第一次握手：Client將標志位SYN置為1，隨機產生一個值seq=J，并將該數據包發送給Server，Client進入SYN_SENT狀態，等待Server確認。

（2）第二次握手：Server收到數據包后由標志位SYN=1知道Client請求建立連接，Server將標志位SYN和ACK都置為1，ack=J+1，隨機產生一個值seq=K，并將該數據包發送給Client以確認連接請求，Server進入SYN_RCVD狀態。

（3）第三次握手：Client收到確認后，檢查ack是否為J+1，ACK是否為1，如果正確則將標志位ACK置為1，ack=K+1，并將該數據包發送給Server，Server檢查ack是否為K+1，ACK是否為1，如果正確則連接建立成功，Client和Server進入ESTABLISHED狀態，完成三次握手，隨后Client與Server之間可以開始傳輸數據了。

為什么不能只兩次握手？

有了三次握手的詳細步驟，就可以分析為什么需要三次握手而不是兩次握手了。

三次握手的目的：消除舊有連接請求的SYN消息對新連接的干擾，同步連接雙方的序列號和確認號并交換TCP 窗口大小信息。

設想：如果只有兩次握手，那么第二次握手后服務器只向客戶端發送ACK包，此時客戶端與服務器端建立連接。在這種握手規則下：?

假設：如果發送網絡阻塞，由于TCP/IP協議定時重傳機制，B向A發送了兩次SYN請求，分別是x1和x2，且因為阻塞原因，導致x1連接請求和x2連接請求的TCP窗口大小和數據報文長度不一致，如果最終x1達到A，x2丟失，此時A同B建立了x1的連接，這個時候，因為AB已經連接，B無法知道是請求x1還是請求x2同B連接，如果B默認是最近的請求x2同A建立了連接，此時B開始向A發送數據，數據報文長度為x2定義的長度，窗口大小為x2定義的大小，而A建立的連接是x1，其數據包長度大小為x1，TCP窗口大小為x1定義，這就會導致A處理數據時出錯。

很顯然，如果A接收到B的請求后，A向B發送SYN請求y3（y3的窗口大小和數據報長度等信息為x1所定義），確認了連接建立的窗口大小和數據報長度為x1所定義，A再次確認回答建立x1連接，然后開始相互傳送數據，那么就不會導致數據處理出錯了。????

SYN攻擊：

在三次握手過程中，Server發送SYN-ACK之后，收到Client的ACK之前的TCP連接稱為半連接（half-open connect），此時Server處于SYN_RCVD狀態，當收到ACK后，Server轉入ESTABLISHED狀態。SYN攻擊就是Client在短時間內偽造大量不存在的IP地址，并向Server不斷地發送SYN包，Server回復確認包，并等待Client的確認，由于源地址是不存在的，因此，Server需要不斷重發直至超時，這些偽造的SYN包將產時間占用未連接隊列，導致正常的SYN請求因為隊列滿而被丟棄，從而引起網絡堵塞甚至系統癱瘓。SYN攻擊時一種典型的DDOS攻擊，檢測SYN攻擊的方式非常簡單，即當Server上有大量半連接狀態且源IP地址是隨機的，則可以斷定遭到SYN攻擊了，使用如下命令可以讓之現行：

#netstat -nap | grep SYN_RECV

三、四次揮手

三次握手耳熟能詳，四次揮手估計就，所謂四次揮手（Four-Way Wavehand）即終止TCP連接，就是指斷開一個TCP連接時，需要客戶端和服務端總共發送4個包以確認連接的斷開。在socket編程中，這一過程由客戶端或服務端任一方執行close來觸發，整個流程如下圖所示：

圖3 TCP四次揮手

由于TCP連接時全雙工的，因此，每個方向都必須要單獨進行關閉，這一原則是當一方完成數據發送任務后，發送一個FIN來終止這一方向的連接，收到一個FIN只是意味著這一方向上沒有數據流動了，即不會再收到數據了，但是在這個TCP連接上仍然能夠發送數據，直到這一方向也發送了FIN。首先進行關閉的一方將執行主動關閉，而另一方則執行被動關閉，上圖描述的即是如此。

（1）第一次揮手：Client發送一個FIN，用來關閉Client到Server的數據傳送，Client進入FIN_WAIT_1狀態。

（2）第二次揮手：Server收到FIN后，發送一個ACK給Client，確認序號為收到序號+1（與SYN相同，一個FIN占用一個序號），Server進入CLOSE_WAIT狀態。

（3）第三次揮手：Server發送一個FIN，用來關閉Server到Client的數據傳送，Server進入LAST_ACK狀態。

（4）第四次揮手：Client收到FIN后，Client進入TIME_WAIT狀態，接著發送一個ACK給Server，確認序號為收到序號+1，Server進入CLOSED狀態，完成四次揮手。

上面是一方主動關閉，另一方被動關閉的情況，實際中還會出現同時發起主動關閉的情況，具體流程如下圖：

圖4 同時揮手

流程和狀態在上圖中已經很明了了，在此不再贅述，可以參考前面的四次揮手解析步驟。

四、附注

關于三次握手與四次揮手通常都會有典型的面試題，在此提出供有需求的XDJM們參考：

（1）三次握手是什么或者流程？四次握手呢？答案前面分析就是。

（2）為什么建立連接是三次握手，而關閉連接卻是四次揮手呢？

這是因為服務端在LISTEN狀態下，收到建立連接請求的SYN報文后，把ACK和SYN放在一個報文里發送給客戶端。而關閉連接時，當收到對方的FIN報文時，僅僅表示對方不再發送數據了但是還能接收數據，己方也未必全部數據都發送給對方了，所以己方可以立即close，也可以發送一些數據給對方后，再發送FIN報文給對方來表示同意現在關閉連接，因此，己方ACK和FIN一般都會分開發送。