图文并茂解释TCPIP 3次握手4次挥手

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1. TCP 与 UDP 的区别

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是面向连接的，可靠的通信协议，而 UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是无连接的，不可靠的通信协议。

它们两者都是构成网络运输层的关键协议，接下来我们通过一个表格对比二者的区别：

 

特性	TCP	UDP
可靠性	可靠（保证顺序，不丢包）	不可靠
连续性	面向连接	无连接
报文	面向字节流	面向报文
传输效率和速度	传输效率低，速度慢	效率高，速度快
双工性	全双工（通信允许数据在两个方向上同时传输）	一对一、一对多、多对一、多对多
流量控制	滑动窗口	无
堵塞控制	慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复	无
应用场景	对效率要求低，准确性要求高的场景	对效率要求高，准确性要求低
应用举例	FTP文件传输、HTTP万维网、SMTP电子邮件	DNS域名转换、SNMP网络管理、TFTP文件传输

 

从表格中我们可以看出，TCP 与 UDP 最大的区别就在于可靠传输。那 TCP 的可靠传输是由什么保证的呢？一个很重要的性质就是，TCP 是面向连接的通信协议。

TCP 每次在通信之前，客户端和服务端都需要通过发送数据消息，先建立一个稳定的传输"通道"，然后再进行数据传输。这个过程我们称之为"TCP 连接的三次握手"。

 

2. TCP 三次握手

TCP 三次握手建立连接，是 TCP 数据传输的必要过程。流程大致分为以下几步：

• 刚开始，客户端（Client）和服务器（Server）都处于 CLOSED 状态；
• 服务端创建传输控制块（TCB），时刻准备客户进程的连接请求，处于 LISTEN 监听状态；
• 第一次握手：客户端将 TCP 报文的标志位 SYN 置为1，随机产生一个序号值 seq=x 保存在 TCP 首部的序列号字段里，然后指明客户端打算连接的服务器端口，并将数据包发送给服务器端。发送完毕后，客户端进入 SYN-SEND 状态；
• 第二次握手：服务端收到数据包后，由标志位 SYN=1 确认了客户端要请求建立连接。于是，服务端将 TCP 报文的标志位 SYN 和确认应答号 ACK 都置为 1，请求号 ack = x+1（表示序列号为 x 的消息已经接收了，下一次传输的序列号为 x+1），再随机产生一个序号值 seq=y，然后将该数据包发送给客户端以确认连接请求。这时，服务端进入 SYN-RCVD 状态；
• 第三次握手：客户端收到服务端的确认后，检查 ack 是否为 x+1，ACK 是否为1，如果正确则将确认应答 ACK 置为 1，请求号 ack=y+1（表示序列号为 y 的消息已经接收了，下一次传输的序列号为 y+1），并将数据包发送给服务器。服务器端检查 ack 是否为 y+1，ACK 是否为 1，如果正确则成功建立连接。客服端和服务器都进入 ESTABLISHED 状态，三次握手结束，客户端和服务器可以开始传输数据了。

在上述过程中，还有一些重要的概念：

• 半连接：收到 SYN 包而还未收到 ACK 包时的连接状态称为半连接，即尚未完全完成三次握手的 TCP 连接，处于第一次握手之后，第三次握手之前。
• 半连接队列：在三次握手协议中，服务器维护一个半连接队列，该队列为每个客户端的 SYN 包开设一个条目，该条目表明服务器已收到 SYN 包，并向客户发出确认，正在等待客户的确认包。这些条目所标识的连接在服务器处于 SYN_ RECV 状态，当服务器收到客户的确认包时，删除该条目，服务器进入 ESTABLISHED 状态。

 

3. 为什么三次握手

如上可见，TCP 建立通信连接时，需要进行三次握手。那么，为什么两次不行呢？举一个 A-B 拨打电话的场景：

• A：你好，我想和你建立通话连接，连接号为 x；
• B：好的，可以建立通话连接，连接号为 x；
• A：收到，连接号为 x 的连接已经建立，我们可以开始通话了。

我们可以发现，如果只有两次握手，会发生比如以下场景：

• 当客户端发出第一次请求连接时，由于网络节点拥堵导致服务端未收到请求的报文，这时，由于服务端没有响应，客户端可能会发送多次连接请求；
• 如果没有三次握手的确认，当之前传了很久的请求到达服务端时，服务器会认为这是一个新的请求，于是建立连接，但是这个 TCP 连接一直不会通信，这样，服务端的很多资源就被白白浪费掉了。

结合上面的电话拨号例子，两次连接可能出现的问题：

• A：你好，我想和你建立通话连接，连接号为 x；

由于信号不稳定，这条消息发了很久 B 都没收到，于是，A 又重新发了一条，连接号为 y；

• B：好的，可以建立通话连接，连接号为 y；
• A：收到，连接号为 y 的连接已经建立（自然之前连接号为 x 的连接就不用了），于是开始通话。

这时，之前发送的 x 连接也发到了 B 端，如果没有三次握手，那么 B 可能会误以为这时 A 又发起了一个连接。于是，分配好资源，等待连接号为 x 的无效连接传输消息。

因此，采用三次握手建立连接可以防止上述问题的出现，当客户端收到一个已失效的建立连接确认报文时，不会向服务端进行第三次握手确认。而服务端由于收不到确认，就不会和客户端建立连接了。

总结：三次握手可以防止已失效的连接请求又传送到服务器端，导致无效连接的出现，浪费服务端资源。

 

4. TCP 四次挥手

当数据传输完成后，为了节省服务器的资源和网络开销，需要进行断连。可以理解为，电话打完了，需要我们手动进行挂电话的操作。

当客户端（Client，以下简称C端）和服务器（Server，以下简称S端）都是连接状态时：

• 第一次挥手：C 端不想再进行数据传输了，就发起一条挥手请求，将 TCP 报文的标志位 FIN=1，设置序列号 seq 为随机数 x。此时，C 端进入 FIN_WAIT_1 状态；
• 第二次挥手：S 端收到 C 端的 FIN 数据报，知道 C 端不再发送数据了。于是返回一条 ACK 确认消息，表示同意 C 端的关闭请求，然后 S 端进入 CLOSE_WAIT 状态。当 C 端收到 S 端的确认消息后，进入 FIN_WAIT_2 状态，等待 S 端的连接结束；
• 第三次挥手：S 端发送数据完毕后，给 C 端发送标志位为 FIN 的报文段，请求关闭连接，并进入 LAST_ACK 状态；
• 第四次挥手：当 C 端收到 FIN 报文段之后，再向 S 端回复标志位为 ACK 的应答消息，然后进入 TIME_WAIT 状态，当等待 2MSL（报文的最大存活时间，后面会详细讲解） 后还没收到回复，证明 S 端已经正常关闭，于是 C 端进入CLOSED 状态。而 S 端在收到 C 端的 ACK 报文段以后，就关闭连接，直接进入 CLOSED 状态。

和我们的电话通话不同，TCP 连接是全双工的，也就是在通信的时候允许数据在两个方向上同时传输。可以理解为是电话+电话留言，两边都需要挂电话才会结束通讯过程，整个流程可以看成是如下场景：

• A：我不想说话了，挂电话了哈；
• B：好的，你先挂电话，但是我还有话要说；
• A：收到了挂电话的请求应答，于是把电话挂了。这时 A 除了做应答以外不能再说话（传输真实数据），但是可以听到声音（接收数据）；
• B：我也不想说话了，挂电话了哈；
• A：好的，已收到，等待一会儿就把电话挂了；
• B：收到挂电话的请求应答后，把手机关掉了。 A 过了一会儿，发现 B 确实把电话挂了，于是也关了手机，通讯结束。

 

5. 为什么要等待 2MSL

Max Segment Lifetime（简称 MSL），指报文的最大存活时间，它是任何报文段被丢弃前在网络内的最长时间。

从上面断连的第四次挥手阶段，我们发现客户端在收到服务端的断连请求后，还等待了 2MSL 才变为 CLOSED 状态。这是为什么呢？

1）可以保证 TCP 的全双工连接能够可靠关闭

由于 IP 协议的不可靠性或者其它网络原因，导致 S 端没有收到 C 端的 ACK 报文，那么 S 端就会在超时后重新发送 FIN，如果此时 C 端的连接已经关闭处于 CLOSED 状态，那么重发的 FIN 就找不到对应的连接了，从而导致连接错乱。

因此，C 端发送完最后的 ACK 不能直接进入 CLOSED 状态，而要保持 TIME_WAIT，等待可能重传的 FIN 报文，保证对方能收到 ACK。

2）保证此处连接的重复数据段从网络中消失

如果 C 端发送最后的 ACK 后直接进入 CLOSED 状态，然后再向 S 端发起一个新连接，这时无法保证新连接与刚关闭连接的端口号是不同的，就可能出现问题：如果前一次连接的某些数据滞留在网络中，这些延迟数据在建立新连接后到达 C 端，由于新老接口的端口号和 IP 都一样，TCP 协议就认为延迟数据是属于新连接的，新连接就会收到脏数据，导致数据包混乱。

所以，TCP 连接需要在 TIME_WAIT 状态等待 2 倍 MSL，保证本次连接的所有数据在网络中消失。

 

6. 为什么四次挥手

建立连接时当 Server 收到 Client 端的 SYN 连接请求时，可以直接发送带有同步标志位 SYN 和确认应答号 ACK 的报文，所以建立连接只需要三次握手。

由于 TCP 是全双工模式，这就意味着关闭连接时，当 C 端发出 FIN 报文段时，只是表示 C 端的数据已经发送完毕了，但 S 端还是可以发送数据到 C 端的。

因此，S 端很可能不会立即关闭 SOCKET，故 S 端数据发送完毕后就需要 "第四次挥手" 另外发送报文段通知 C 端去断开连接。

 

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