TCP/IP协议中四次挥手的过程及原因是什么

发布时间：2021-11-20 09:47:59 作者：柒染
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# TCP/IP协议中四次挥手的过程及原因是什么

## 引言

在计算机网络通信中，TCP（传输控制协议）以其可靠性著称。建立连接时的"三次握手"和断开连接时的"四次挥手"是TCP协议的核心机制。本文将深入解析四次挥手的详细过程、每个步骤的技术含义，以及为什么需要四次交互才能安全关闭连接。

## 一、TCP连接终止的基本概念

### 1.1 为什么需要专门的断开机制
TCP是全双工通信协议，数据可以双向传输。与建立连接不同，断开连接需要确保：
- 双方数据都已完成传输
- 资源能够被安全释放
- 不会产生数据丢失或错误

### 1.2 四次挥手的官方定义
在RFC 793中定义，连接终止需要交换四个报文段：
1. FIN（来自主动关闭方）
2. ACK（对FIN的确认）
3. FIN（来自被动关闭方）
4. ACK（对第二个FIN的确认）

## 二、四次挥手的详细过程

### 2.1 第一阶段：主动关闭方发送FIN
```mermaid
sequenceDiagram
    participant Client as 主动关闭方
    participant Server as 被动关闭方
    Client->>Server: FIN=1, seq=u
    Note right of Client: 进入FIN-WT-1状态

技术要点： - FIN标志位置1表示终止连接 - seq序列号为最后数据字节序号+1 - 此时主动方停止发送应用层数据

2.2 第二阶段：被动方确认FIN

sequenceDiagram
    Server->>Client: ACK=1, seq=v, ack=u+1
    Note left of Server: 进入CLOSE-WT状态
    Note right of Client: 进入FIN-WT-2状态

关键细节： - ACK确认号=收到序列号+1 - 被动方可能继续发送未完成的数据 - TCP半关闭状态形成（主动方→被动方通道关闭）

2.3 第三阶段：被动方发送FIN

sequenceDiagram
    Server->>Client: FIN=1, ACK=1, seq=w, ack=u+1
    Note left of Server: 进入LAST-ACK状态

特殊场景： - 如果被动方无待发数据，可将第二、三阶段合并 - 延迟确认机制可能导致两个报文分离

2.4 第四阶段：主动方确认FIN

sequenceDiagram
    Client->>Server: ACK=1, seq=u+1, ack=w+1
    Note right of Client: 进入TIME-WT状态
    Note left of Server: 进入CLOSED状态

三、为什么需要四次挥手

3.1 全双工通信的本质要求

TCP连接包含两个独立通道： 1. 客户端→服务器方向 2. 服务器→客户端方向

每个方向需要单独关闭，因此至少需要： - 关闭请求（FIN） - 确认（ACK）

3.2 数据缓冲区的处理

被动关闭方可能需要： - 发送剩余数据（在第一次ACK后） - 处理已接收但未上传给应用的数据

3.3 与三次握手的本质区别

建立连接时： - SYN同时承载序列号初始化功能 - 可以合并ACK和SYN

终止连接时： - FIN只表示数据发送完毕 - ACK和FIN通常不能合并（存在数据待发送情况）

四、关键状态解析

4.1 TIME_WT状态

持续时间：2MSL（报文最大生存时间）
两个重要作用：
1. 确保最后一个ACK到达对端
2. 让网络中残留报文过期

4.2 CLOSE_WT状态

常见问题： - 大量CLOSE_WT连接可能指示应用未正确调用close() - 资源泄漏风险

五、异常情况处理

5.1 FIN丢失的情况

主动方会重传FIN（遵循TCP重传机制）
默认重试次数由系统参数决定

5.2 同时关闭场景

当双方同时发送FIN时： - 直接进入CLOSING状态 - 交换ACK后进入TIME_WT

六、优化实践

6.1 快速回收TIME_WT

# Linux内核参数
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1

注意事项： - 在NAT环境下可能导致问题 - 需要确保时间戳选项启用

6.2 设置合理的MSL值

# 查看当前MSL设置
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout

七、Wireshark抓包实例分析

7.1 典型四次挥手报文

No. Time        Source    Destination Protocol Info
1    0.000      Client    Server      TCP      FIN, ACK
2    0.032      Server    Client      TCP      ACK
3    5.127      Server    Client      TCP      FIN, ACK
4    5.158      Client    Server      TCP      ACK

7.2 关键字段解读

序列号：跟踪数据流连续性
标志位：FIN/ACK控制位变化
窗口大小：流量控制体现

八、相关面试问题

8.1 高频问题集

为什么TIME_WT需要等待2MSL？
出现大量CLOSE_WT可能是什么原因？
什么情况下可以变为三次挥手？

8.2 问题解答示范

以问题1为例：

TIME_WT的两个主要目的：首先确保最后的ACK能到达对端（如果丢失，对方会重传FIN）；其次让本连接持续时间内产生的所有报文都从网络中消失，避免影响新连接。

结论

四次挥手机制体现了TCP协议设计的严谨性： - 通过明确的阶段划分保证可靠性 - 状态机设计处理各种边界情况 - 兼顾性能与安全的平衡

理解这一过程对于网络故障诊断、高性能服务器开发等场景具有重要意义。随着QUIC等新协议的出现，传统TCP的连接管理机制也正在被重新思考和优化。