TCP的三次握手与四次挥手理解及面试题 --小丑

一、TCP三次握手过程
TCP（Transmission Control Protocol）传输控制协议，提供可靠的面向连接的服务，采用三次握手建立连接。
名词解读

SYN：同步序列号，用来发起一个连接。SYN=1的报文不能携带数据，但是消耗掉一个序号。

ACK：确认标识，当ACK=1时确认字段才有效。

seq：序列号，即数据包本身的序列号，为连接以后传输数据使用；

ack：对收到数据包的确认，值是等待接受的数据包的序列号（即期望对方继续发送的那个数据包的序列号）。

2.TCP三次握手过程
如下图为三次握手的过程。
在这里插入图片描述
第一次：客户端C向服务端S发送连接请求报文，该报文首部中的SYN=1，ACK=0，随机选取一个序列号seq=i作为初始序列号。此时，客户端进入SYN_SEND同步已发送状态。

第二次：服务端收到客户端的连接请求报文，如果同意建立连接，则发送确认报文。确认报文首部中SYN=1、ACK=1、ack=i+1、seq=j（服务端的初始序列号）。此时，服务器进入SYN_RCVD同步收到状态。

注：为什么ack=i+1？

答：服务器对客户端的数据进行确认，因为已经收到序列号为i的数据包，准备接受序列号为i+1的数据包，所以确认号ack=i+1。

第三次：客户端收到服务端的确认报文之后，会向服务器发送确认报文，告诉服务器收到了它的确认报文并准备建立连接。确认报文首部中SYN=0、ACK=1、ack=j+1、seq=i+1。服务端收到客户端确认报文，此时，服务端进入ESTABLISHED已建立连接状态。

注：为什么seq=i+1?

答：ACK报文段可以携带数据，因此如果不携带数据，不消耗序列号，则下一个报文的序列号仍然是seq=i+1；如果携带数据，则序列号为在i+1的基础上增加携带数据的大小。此处默认第三次握手客户端不发送携带数据的报文段。

二、TCP为什么采用三次握手，而不是两次握手或四次握手？
1.TCP三次握手理论背景
(a)TCP提供可靠的面向连接的服务，TCP是全双工的，即任意一端可以发送数据，也可以接受数据，需要有一个发送序列号和接受序列号。

(b)TCP三次握手的目的是同步连接双方的序列号和确认号，并交换TCP窗口大小信息，确认双方有收发数据的能力。

2.为什么不是两次握手或四次握手？
防止失效的连接请求报文段被服务端接受，从而产生错误。

(a)如果建立连接需要两次握手，漫画图解：
在这里插入图片描述

皇上让A小栗子宣爱妃，A由于事情耽误没及时赶到宣口谕；

皇上坐等右等，派出B小二去，并成功宣明了口谕；

爱妃收到B小二的口谕，赶来陪皇上解闷儿；

连接成功建立，等释放连接之后，A小栗子此时才姗姗来迟，宣明口谕，爱妃以为皇上独宠于己身，打扮花枝招展前来，由于旨意已失效，连接不存在，找不到是谁人宣，就一直等啊等啊等…嘎嘎

两次握手，客户端收到服务端的应答后进入ESTABLISHED（已建立连接状态），而服务端在收到客户端的连接请求之后就进入了ESTABLISHED状态。如果出现网络拥塞，客户端发送的连接请求报文A过了很久没有到达服务端，会超时重发请求报文B，服务端正确接受并确认应答，连接建立并开始通信传输数据，等通信结束之后释放连接。此时，如果之前失效的连接请求A到达服务端，由于两次握手就能成功建立连接，服务端收到请求A之后进入ESTABLISHED已建立连接状态，等待发送数据或者主动发送数据，此时，客户端已经进入CLISED断开连接状态，服务器会一直等下去，浪费服务器连接资源。

(b)建立连接需要四次握手

由于三次握手已经能确保建立可靠的连接，所以不需要四次或更多的握手。

四次挥手过程理解

1）客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
2）服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
3）客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。
4）服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
5）客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
6）服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

常见面试题

【问题1】为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手？

答：因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，“你发的FIN报文我收到了”。只有等到我Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。

【问题2】为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态？

答：虽然按道理，四个报文都发送完毕，我们可以直接进入CLOSE状态了，但是我们必须假象网络是不可靠的，有可以最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。在Client发送出最后的ACK回复，但该ACK可能丢失。Server如果没有收到ACK，将不断重复发送FIN片段。所以Client不能立即关闭，它必须确认Server接收到了该ACK。Client会在发送出ACK之后进入到TIME_WAIT状态。Client会设置一个计时器，等待2MSL的时间。如果在该时间内再次收到FIN，那么Client会重发ACK并再次等待2MSL。所谓的2MSL是两倍的MSL(Maximum Segment Lifetime)。MSL指一个片段在网络中最大的存活时间，2MSL就是一个发送和一个回复所需的最大时间。如果直到2MSL，Client都没有再次收到FIN，那么Client推断ACK已经被成功接收，则结束TCP连接。

【问题3】为什么不能用两次握手进行连接？

答：3次握手完成两个重要的功能，既要双方做好发送数据的准备工作(双方都知道彼此已准备好)，也要允许双方就初始序列号进行协商，这个序列号在握手过程中被发送和确认。

   现在把三次握手改成仅需要两次握手，死锁是可能发生的。作为例子，考虑计算机S和C之间的通信，假定C给S发送一个连接请求分组，S收到了这个分组，并发 送了确认应答分组。按照两次握手的协定，S认为连接已经成功地建立了，可以开始发送数据分组。可是，C在S的应答分组在传输中被丢失的情况下，将不知道S 是否已准备好，不知道S建立什么样的序列号，C甚至怀疑S是否收到自己的连接请求分组。在这种情况下，C认为连接还未建立成功，将忽略S发来的任何数据分 组，只等待连接确认应答分组。而S在发出的分组超时后，重复发送同样的分组。这样就形成了死锁。

【问题4】如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？

TCP还设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75分钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。