TCP的三次握手与四次挥手是什么

# TCP的三次握手与四次挥手是什么

## 引言

在计算机网络通信中，TCP（传输控制协议）是互联网协议套件中最核心的协议之一，负责在不可靠的网络环境中提供可靠的、面向连接的通信服务。TCP连接的建立和终止过程分别通过**三次握手（Three-way Handshake）**和**四次挥手（Four-way Handshake）**机制实现。本文将深入解析这两个过程的原理、作用及常见问题。

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## 一、TCP协议基础

### 1.1 TCP的特点
- **面向连接**：通信前需建立连接，结束后释放连接。
- **可靠传输**：通过确认、重传、流量控制等机制保证数据准确送达。
- **全双工通信**：双方可同时发送和接收数据。
- **基于字节流**：数据被看作无结构的字节序列。

### 1.2 TCP报文结构
TCP报文头部包含以下关键字段：
- **序列号（Sequence Number）**：标识数据字节流的顺序。
- **确认号（Acknowledgment Number）**：期望收到的下一个字节序号。
- **控制标志位**：
  - `SYN`：同步序列号，用于建立连接。
  - `ACK`：确认标志。
  - `FIN`：终止连接标志。

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## 二、三次握手：建立连接

### 2.1 握手过程
三次握手的目标是同步双方的初始序列号（ISN），并确认双方的收发能力正常。

1. **第一次握手（SYN=1）**  
   - 客户端发送`SYN=1`报文，随机生成初始序列号`seq=x`。
   - 进入`SYN_SENT`状态。

2. **第二次握手（SYN=1, ACK=1）**  
   - 服务端收到`SYN`后，回复`SYN=1`和`ACK=1`，确认号`ack=x+1`，并发送自己的初始序列号`seq=y`。
   - 进入`SYN_RCVD`状态。

3. **第三次握手（ACK=1）**  
   - 客户端确认服务端的`SYN`，发送`ACK=1`，确认号`ack=y+1`。
   - 双方进入`ESTABLISHED`状态，连接建立完成。

```plaintext
客户端                          服务端
  |-------- SYN=1, seq=x ------->|
  |<-- SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1 --|
  |------- ACK=1, ack=y+1 ------>|

2.2 为什么需要三次握手？

• 防止历史重复连接初始化：避免因网络延迟导致的无效连接请求占用资源。
• 同步双方初始序列号：确保双方能正确组装数据包。
• 验证双向通信能力：确认客户端和服务端的发送、接收功能正常。

2.3 常见问题

• SYN洪泛攻击（SYN Flood）：攻击者发送大量SYN但不完成握手，耗尽服务端资源。防御手段包括SYN Cookie机制。

三、四次挥手：终止连接

3.1 挥手过程

由于TCP是全双工的，每个方向需单独关闭连接。

1. 第一次挥手（FIN=1）

   • 主动关闭方（如客户端）发送FIN=1报文，序列号seq=u。
   • 进入FIN_WT_1状态。

2. 第二次挥手（ACK=1）

   • 被动关闭方（如服务端）回复ACK=1，确认号ack=u+1。
   • 服务端进入CLOSE_WT状态，客户端进入FIN_WT_2状态。

3. 第三次挥手（FIN=1）

   • 服务端处理完剩余数据后，发送FIN=1报文，序列号seq=v。
   • 进入LAST_ACK状态。

4. 第四次挥手（ACK=1）

   • 客户端确认FIN，发送ACK=1，确认号ack=v+1。
   • 客户端进入TIME_WT状态，等待2MSL后关闭；服务端直接关闭。

客户端                          服务端
  |-------- FIN=1, seq=u ------->|
  |<-- ACK=1, ack=u+1 -----------|
  |<-------- FIN=1, seq=v -------|
  |------- ACK=1, ack=v+1 ------>|

3.2 为什么需要四次挥手？

• 全双工特性：每个方向需独立关闭。被动方可能仍有数据需发送，故先确认FIN，待数据发送完毕后再发送自己的FIN。

3.3 TIME_WT状态的作用

• 确保最后一个ACK到达：若ACK丢失，被动方可重传FIN。
• 避免新旧连接混淆：等待2MSL（报文最大生存时间）确保网络中所有旧报文失效。

四、关键问题与扩展

4.1 握手与挥手的区别

4.2 异常场景处理

• 握手阶段丢包：

  • 若客户端SYN丢失，会超时重传。
  • 若服务端SYN+ACK丢失，客户端重传SYN。

• 挥手阶段丢包：

  • 若FIN丢失，会触发超时重传机制。

4.3 实际应用中的优化

• 快速握手（TCP Fast Open）：允许在首次握手中携带数据，减少延迟。
• 半关闭状态：通过shutdown()函数实现单向关闭。

五、总结

TCP的三次握手和四次挥手是保障可靠通信的核心机制。三次握手解决了连接初始化时的同步与验证问题，而四次挥手则适应了全双工通信的特性，确保连接优雅关闭。理解这些过程有助于诊断网络问题（如连接超时、端口占用等），并为高性能网络编程奠定基础。

思考题：如果TCP采用两次握手建立连接，会存在哪些风险？
答案：可能导致历史重复连接占用资源，或无法验证服务端的接收能力。 “`