探究 tcp 協議中的三次握手與四次揮手

OSI

OSI是Open System Interconnection的縮寫，意為開放式系統互聯。國際標準化組織（ISO）制定了OSI模型，該模型定義了不同計算機互聯的標準，是設計和描述計算機網路通信的基本框架。OSI模型把網路通信的工作分為7層，分別是物理層、數據鏈路層、網路層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。

首先來看看OSI的七層模型:

我們需要知道TCP工作在網路OSI的七層模型中的第四層——Transport層，IP在第三層——Network層，ARP 在第二層——Data Link層;在第二層上的數據，我們把它叫Frame，在第三層上的數據叫Packet，第四層的數 據叫Segment。 同時，我們需要簡單的知道，數據從應用層發下來，會在每一層都會加上頭部信息，進行 封裝，然後再發送到數據接收端。這個基本的流程你需要知道，就是每個數據都會經過數據的封裝和解封 裝的過程。 在OSI七層模型中，每一層的作用和對應的協議如下：

TCP/IP 參考模型

TCP/IP是傳輸控制協議/網路互聯協議的簡稱。早期的TCP/IP模型是一個四層結構，從下往上依次是網路介面層、互聯網層、傳輸層和應用層。後來在使用過程中，借鑒OSI七層參考模型，將網路介面層劃分為了物理層和數據鏈路層，形成五層結構。

TCP是一個協議，那這個協議是如何定義的，它的數據格式是什麼樣子的呢?要進行更深層次的剖析，就 需要了解，甚至是熟記TCP協議中每個欄位的含義。

上面就是TCP協議頭部的格式，由於它太重要了，是理解其它內容的基礎，下面就將每個欄位的信息都詳 細的說明一下。

Source Port和Destination Port:分別佔用16位，表示源埠號和目的埠號;用於區別主機中的不同進程， 而IP地址是用來區分不同的主機的，源埠號和目的埠號配合上IP首部中的源IP地址和目的IP地址就能唯一 的確定一個TCP連接;

Sequence Number:用來標識從TCP發端向TCP收端發送的數據位元組流，它表示在這個報文段中的的第一個數據 位元組在數據流中的序號;主要用來解決網路報亂序的問題;

Acknowledgment Number:32位確認序列號包含發送確認的一端所期望收到的下一個序號，因此，確認序號應 當是上次已成功收到數據位元組序號加1。不過，只有當標誌位中的ACK標誌(下面介紹)為1時該確認序列號的字 段才有效。主要用來解決不丟包的問題;

Offset:給出首部中32 bit字的數目，需要這個值是因為任選欄位的長度是可變的。這個欄位佔4bit(最多能 表示15個32bit的的字，即4*15=60個位元組的首部長度)，因此TCP最多有60位元組的首部。然而，沒有任選欄位， 正常的長度是20位元組;

TCP Flags:TCP首部中有6個標誌比特，它們中的多個可同時被設置為1，主要是用於操控TCP的狀態機的，依次 為URG，ACK，PSH，RST，SYN，FIN。每個標誌位的意思如下：

URG：此標誌表示TCP包的緊急指針域(後面馬上就要說到)有效，用來保證TCP連接不被中斷，並且督促 中間層設備要儘快處理這些數據;

ACK：此標誌表示應答域有效，就是說前面所說的TCP應答號將會包含在TCP數據包中;有兩個取值：0和1， 為1的時候表示應答域有效，反之為0;

PSH：這個標誌位表示Push操作。所謂Push操作就是指在數據包到達接收端以後，立即傳送給應用程序， 而不是在緩衝區中排隊;

RST：這個標誌表示連接複位請求。用來複位那些產生錯誤的連接，也被用來拒絕錯誤和非法的數據包;

SYN：表示同步序號，用來建立連接。SYN標誌位和ACK標誌位搭配使用，當連接請求的時候，SYN=1， ACK=0;連接被響應的時候，SYN=1，ACK=1;這個標誌的數據包經常被用來進行埠掃描。掃描者發送 一個只有SYN的數據包，如果對方主機響應了一個數據包回來 ，就表明這台主機存在這個埠;但是由於這 種掃描方式只是進行TCP三次握手的第一次握手，因此這種掃描的成功表示被掃描的機器不很安全，一台安全 的主機將會強制要求一個連接嚴格的進行TCP的三次握手;

FIN： 表示發送端已經達到數據末尾，也就是說雙方的數據傳送完成，沒有數據可以傳送了，發送FIN標誌 位的TCP數據包後，連接將被斷開。這個標誌的數據包也經常被用於進行埠掃描。

Window:窗口大小，也就是有名的滑動窗口，用來進行流量控制;這是一個複雜的問題，這篇博文中並不會進行 總結的;

好了，基本知識都已經準備好了，開始下一段的征程吧。

三次握手又是什麼?

TCP是面向連接的，無論哪一方向另一方發送數據之前，都必須先在雙方之間建立一條連接。在TCP/IP協議中，TCP 協議提供可靠的連接服務，連接是通過三次握手進行初始化的。三次握手的目的是同步連接雙方的序列號和確認號 並交換 TCP窗口大小信息。這就是面試中經常會被問到的TCP三次握手。只是了解TCP三次握手的 概念，對你獲得一份工作是沒有任何幫助的，你需要去了解TCP三次握手中的一些細節。先來看圖說話。

1.第一次握手：建立連接。客戶端發送連接請求報文段，將SYN位置為1，Sequence Number為x;然後，客戶端進入SYN_SEND狀態，等待伺服器的確認;

2.第二次握手：伺服器收到SYN報文段。伺服器收到客戶端的SYN報文段，需要對這個SYN報文段進行確認，設置Acknowledgment Number為x+1(Sequence Number+1);同時，自己自己還要發送SYN請求信息，將SYN位置為1，Sequence Number為y;伺服器端將上述所有信息放到一個報文段(即SYN+ACK報文段)中，一併發送給客戶端，此時伺服器進入SYN_RECV狀態;

3.第三次握手：客戶端收到伺服器的SYN+ACK報文段。然後將Acknowledgment Number設置為y+1，向伺服器發送ACK報文段，這個報文段發送完畢以後，客戶端和伺服器端都進入ESTABLISHED狀態，完成TCP三次握手。

完成了三次握手，客戶端和伺服器端就可以開始傳送數據。以上就是TCP三次握手的總體介紹。

那四次分手呢?

當客戶端和伺服器通過三次握手建立了TCP連接以後，當數據傳送完畢，肯定是要斷開TCP連接的啊。那對於TCP的斷開連接，這裡就有了神秘的「四次分手」。

1.第一次分手：主機1(可以使客戶端，也可以是伺服器端)，設置Sequence Number和Acknowledgment Number，向主機2發送一個FIN報文段;此時，主機1進入FIN_WAIT_1狀態;這表示主機1沒有數據要發送給主機2了;

2.第二次分手：主機2收到了主機1發送的FIN報文段，向主機1回一個ACK報文段，Acknowledgment Number為Sequence Number加1;主機1進入FIN_WAIT_2狀態;主機2告訴主機1，我也沒有數據要發送了，可以進行關閉連接了;

3.第三次分手：主機2向主機1發送FIN報文段，請求關閉連接，同時主機2進入CLOSE_WAIT狀態;

4.第四次分手：主機1收到主機2發送的FIN報文段，向主機2發送ACK報文段，然後主機1進入TIME_WAIT狀態;主機2收到主機1的ACK報文段以後，就關閉連接;此時，主機1等待2MSL後依然沒有收到回復，則證明Server端已正常關閉，那好，主機1也可以關閉連接了。

至此，TCP的四次分手就這麼愉快的完成了。當你看到這裡，你的腦子裡會有很多的疑問，很多的不懂，感覺很凌亂;沒事，我們繼續總結。

為什麼要三次握手?

既然總結了TCP的三次握手，那為什麼非要三次呢?怎麼覺得兩次就可以完成了。那TCP為什麼非要進行三次連接呢?在謝希仁的《計算機網路》中是這樣說的：為了防止已失效的連接請求報文段突然又傳送到了服務端，因而產生錯誤。在書中同時舉了一個例子，如下："已失效的連接請求報文段」的產生在這樣一種情況下：client發出的第一個連接請求報文段並沒有丟失，而是在某個網路結點長時間的滯留了，以致延誤到連接釋放以後的某個時間才到達server。本來這是一個早已失效的報文段。但server收到此失效的連接請求報文段後，就誤認為是client再次發出的一個新的連接請求。於是就向client發出確認報文段，同意建立連接。假設不採用「三次握手」，那麼只要server發出確認，新的連接就建立了。由於現在client並沒有發出建立連接的請求，因此不會理睬server的確認，也不會向server發送數據。但server卻以為新的運輸連接已經建立，並一直等待client發來數據。這樣，server的很多資源就白白浪費掉了。採用「三次握手」的辦法可以防止上述現象發生。例如剛才那種情況，client不會向server的確認發出確認。server由於收不到確認，就知道client並沒有要求建立連接。"這就很明白了，防止了伺服器端的一直等待而浪費資源。

為什麼要四次分手?

那四次分手又是為何呢?TCP協議是一種面向連接的、可靠的、基於位元組流的運輸層通信協議。TCP是全雙工 模式，這就意味著，當主機1發出FIN報文段時，只是表示主機1已經沒有數據要發送了，主機1告訴主機2， 它的數據已經全部發送完畢了;但是，這個時候主機1還是可以接受來自主機2的數據;當主機2返回ACK報文 段時，表示它已經知道主機1沒有數據發送了，但是主機2還是可以發送數據到主機1的;當主機2也發送了FIN 報文段時，這個時候就表示主機2也沒有數據要發送了，就會告訴主機1，我也沒有數據要發送了，之後彼此 就會愉快的中斷這次TCP連接。如果要正確的理解四次分手的原理，就需要了解四次分手過程中的狀態變化。

FIN_WAIT_1: 這個狀態要好好解釋一下，其實FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_2狀態的真正含義都是表示等 待對方的FIN報文。而這兩種狀態的區別是：FIN_WAIT_1狀態實際上是當SOCKET在ESTABLISHED狀態時， 它想主動關閉連接，向對方發送了FIN報文，此時該SOCKET即進入到FIN_WAIT_1狀態。而當對方回應ACK報 文後，則進入到FIN_WAIT_2狀態，當然在實際的正常情況下，無論對方何種情況下，都應該馬上回應ACK 報文，所以FIN_WAIT_1狀態一般是比較難見到的，而FIN_WAIT_2狀態還有時常常可以用netstat看到。 (主動方)

FIN_WAIT_2：上面已經詳細解釋了這種狀態，實際上FIN_WAIT_2狀態下的SOCKET，表示半連接，也即 有一方要求close連接，但另外還告訴對方，我暫時還有點數據需要傳送給你(ACK信息)，稍後再關閉連接。 (主動方)

CLOSE_WAIT：這種狀態的含義其實是表示在等待關閉。怎麼理解呢?當對方close一個SOCKET後發送FIN 報文給自己，你系統毫無疑問地會回應一個ACK報文給對方，此時則進入到CLOSE_WAIT狀態。接下來呢，實 際上你真正需要考慮的事情是察看你是否還有數據發送給對方，如果沒有的話，那麼你也就可以 close這個 SOCKET，發送FIN報文給對方，也即關閉連接。所以你在CLOSE_WAIT狀態下，需要完成的事情是等待你去關 閉連接。(被動方)

LAST_ACK: 這個狀態還是比較容易好理解的，它是被動關閉一方在發送FIN報文後，最後等待對方的ACK報 文。當收到ACK報文後，也即可以進入到CLOSED可用狀態了。(被動方)

TIME_WAIT: 表示收到了對方的FIN報文，並發送出了ACK報文，就等2MSL後即可回到CLOSED可用狀態了。 如果FINWAIT1狀態下，收到了對方同時帶FIN標誌和ACK標誌的報文時，可以直接進入到TIME_WAIT狀態，而無 須經過FIN_WAIT_2狀態。(主動方)

CLOSED: 表示連接中斷。

為什麼 TIME_WAIT 狀態要等待 2MSL 之後才關閉連接

1、2MSL表示兩個MSL的時長，MSL全稱為Maximum Segment Life，表示TCP 對TCP Segment 生存時間的限制。

2、為了保證主動關閉方A發送的最後一個ACK報文段能夠到達被動關閉方B。這個ACK報文段有可能丟失，因而使處在LAST_ACK狀態的B收不到對自己已發送的FIN+ACK報文段的確認。B會超時重傳這個FIN+ACK報文段。而A就能在2MSL時間內收到這個重傳的FIN+ACK報文段。接著A重傳一次確認，重新啟動2MSL計時器。最後A和B都正常進入到CLOSED狀態。如果A在TIME_WAIT狀態不等待一段時間，而是在發送完ACK報文段後立即釋放連接，那麼就無法收到B重傳的FIN+ACK報文段，因而也不會在發送一次確認報文段。這樣，B就無法按照正常步驟進入CLOSED狀態。

3、防止已失效的連接請求報文段出現在本連接中。A在發送完最後一個ACK報文段後，在經過2MSL，就可以使本連接持續的時間內所產生的所有報文段都從網路中消失。這樣就可以使下一個新的連接中不會出現這種舊的連接請求報文段。

總結到這裡，也該結束了，但是對於TCP的學習遠還沒有結束。TCP是一個非常複雜的協議，這裡稍微總結了一 下TCP的連接與斷開連接是發生的事情，不足之處，敬請賜教。