TCP/IP协议三次握手与四次握手流程解析

一、TCP报文格式

TCP/IP协议的详细信息参看《TCP/IP协议详解》三卷本。下面是TCP报文格式图：

图1 TCP报文格式

上图中有几个字段需要重点介绍下：

（1）序号：Seq序号，占32位，用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流，发起方发送数据时对此进行标记。

（2）确认号：Ack序号，占32位，只有ACK标志位为1时，确认序号字段才有效，Ack=Seq+1。

（3）标志位：共6个，即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等，具体含义如下：

　　 （A）URG   (urgent)：紧急指针（urgent pointer）有效。
　　  （B）ACK   (acknowledgement)：确认位，为1时，确认序号有效。
 　　 （C）PSH   (push)：传送，接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
  　　（D）RST   (finish)：重置位，重置连接。
  　　（E）SYN   (synchronous)：同步位，建立一个连接。
  　　（F）FIN   (finish)：结束位，释放一个连接。

需要注意的是：
  （A）不要将确认序号Ack与标志位中的ACK搞混了。
  （B）确认方Ack=发起方Req+1，两端配对。

二、三次握手

　　所谓三次握手（Three-Way Handshake）即建立TCP连接，就是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送3个包以确认连接的建立。在socket编程中，这一过程由客户端执行connect来触发，整个流程如下图所示：

图2 TCP三次握手

（1）第一次握手：

　　　　　Client  向  Server  发送请求建立链接的请求（Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。）

  （2）第二次握手：

　　　　　Server  收到数据包后，由标志位SYN=1知道  Client  请求建立连接，Server 将标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给 Client ，通知 Client ，Server 已收到连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。

（3）第三次握手：

　　　　  Client收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则代表Server 已收到连接请求，并将标志位ACK置为1，ack=K+1，然后将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果是则代表则两端通信正常，连接建立成功，Client和Server进入 ESTABLISHED 状态，完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

一个完整的三次握手也就是 请求---应答---再次确认

SYN攻击：
   　　 在三次握手过程中，Server发送SYN-ACK之后，收到Client的ACK之前的TCP连接称为半连接（half-open connect），此时Server处于SYN_RCVD状态，当收到ACK后，Server转入ESTABLISHED状态。SYN攻击就是Client在短时间内伪造大量不存在的IP地址，并向Server不断地发送SYN包，Server回复确认包，并等待Client的确认，由于源地址是不存在的，因此，Server需要不断重发直至超时，这些伪造的SYN包将产时间占用未连接队列，导致正常的SYN请求因为队列满而被丢弃，从而引起网络堵塞甚至系统瘫痪。SYN攻击时一种典型的DDOS攻击，检测SYN攻击的方式非常简单，即当Server上有大量半连接状态且源IP地址是随机的，则可以断定遭到SYN攻击了，使用如下命令可以让之现行：
  #netstat -nap | grep SYN_RECV

三、四次挥手

　　所谓四次挥手（Four-Way Wavehand）即终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。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，整个流程如下图所示：

图3 TCP四次挥手

由于TCP连接时全双工的，因此，每个方向都必须要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，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，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，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，而另一方则执行被动关闭，上图描述的即是如此。

（1）第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN_WAIT_1状态。

（2）第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），Server进入CLOSE_WAIT状态。

（3）第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK状态。

（4）第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。

上面是一方主动关闭，另一方被动关闭的情况，实际中还会出现同时发起主动关闭的情况，具体流程如下图：

图4 同时挥手
  流程和状态在上图中已经很明了了，在此不再赘述，可以参考前面的四次挥手解析步骤。

四、常见问答题

1．为什么建立连接协议是三次握手，而关闭连接却是四次握手呢？

　　这是因为服务端的LISTEN状态下的SOCKET当收到SYN报文的建连请求后，它可以把ACK和SYN（ACK起应答作用，而SYN起同步作用）放在一个报文里来发送。

　　但关闭连接时，当收到对方的FIN报文通知时，它仅仅表示对方没有数据发送给你了，但是还能接收数据；但未必己方所有的数据都全部发送给对方了，所以你可能未必会马上会关闭SOCKET,也即你可能还需要发送一些数据给对方之后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，所以它这里的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的。

2．为什么TIME_WAIT状态还需要等2MSL后才能返回到CLOSED状态？

　　这是因为虽然双方都同意关闭连接了，而且握手的4个报文也都协调和发送完毕，按理可以直接回到CLOSED状态（就好比从SYN_SEND状态到ESTABLISH状态那样）；但是因为我们必须要假想网络是不可靠的，你无法保证你最后发送的ACK报文会一定被对方收到，因此对方处于LAST_ACK状态下的SOCKET可能会因为超时未收到ACK报文，而重发FIN报文，所以这个TIME_WAIT状态的作用就是用来重发可能丢失的ACK报文。