TCP三次握手与四次挥手（详解）

article/2025/9/23 1:02:28

TCP三次握手

一：引出


客户端与服务器之间数据的发送和返回的过程当中需要创建一个叫TCP connection的东西；由于TCP不存在连接的概念，只存在请求和响应，请求和响应都是数据包，它们之间都是经过由TCP创建的一个从客户端发起，服务器接收的类似连接的通道，这个连接可以一直保持，http请求是在这个连接的基础上发送的;在一个TCP的连接上是可以发送多个http请求的

二:TCP的报文格式


1:TCP在传输层和网络层数据传输的过程
TCP协议是在传输层端到端的传输信息，既然说到传输层协议，那么就讲一下传输层协议在数据传输过程中的位置:


左边家庭要给右边家庭通信中的（应用层和传输层和网络层）
左边家庭的孩子小红（应用层中 应用进程）写了一封信（应用消息），然后小红将信交给了哥哥李雷（传输层），李雷将信放入到家门口的信箱里，邮递员来了将信取走放到了邮政汽车上，然后邮政汽车肯定不是直达的，他们到了转运中心（路由器）转到另一辆汽车上根据时间成本，路线成本等选择一条路继续运输（网络层)。

2:TCP报文

其中比较重要的字段

a:序号（sequence number）：
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。

对序号的补充:
应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，然后TCP把数据流分区成适当长度的 报文段 （通常受该计算机连接的网络的 数据链路层 的 最大传输单元 （ MTU ）的限制）。之后TCP把结果包传给IP层，由它来通过网络将包传送给接收端实体的TCP层**。TCP为了保证不发生丢包，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。**然后接收端实体对已成功收到的包发回一个相应的确认（ ACK ）；如果发送端实体在合理的往返时延（RTT）内未收到确认，那么对应的数据包就被假设为已丢失将会被进行重传。TCP用一个 校验和 函数来检验数据是否有错误；在发送和接收时都要计算校验和。

b:确认序号（acknowledgement number）：
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。

c:标志位（Flags）：
共6个，即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等。具体含义如下
URG：紧急指针（urgent pointer）有效。
ACK：确认序号有效,确认接收到消息；
PSH：接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
RST：重置连接。
SYN：发起一个新连接。
FIN：释放一个连接。

三:TCP的三次握手的图示


1:图示


所谓的三次握手即TCP连接的建立。这个连接必须是一方主动打开，另一方被动打开的。
以下为客户端主动发起连接的图解：


2:客户端各个状态：


CLOSED状态:为关闭状态
SYN_SENT状态:为请求连接状态， 当你要访问其它的计算机的服务时首先要发个同步信号给该端口，此时状态为SYN_SENT，如果连接成功了就变为ESTABLISHED，此时SYN_SENT状态非常短暂。
ESTABLISHED状态:连接成功 

3:服务端的各个状态:


LISTENING状态:监听状态， State显示是LISTENING时表示处于侦听状态，就是说该端口是开放的，等待连接，但还没有被连接。就像你房子的门已经敞开的，但还没有人进来。
SYN-RCVD状态:收到和发送一个连接请求后等待对方对连接请求的确认。
ESTABLISHED状态:连接成功

补充：SYN-RCVD状态

  • 当服务器收到客户端发送的同步信号时，将标志位ACK和SYN置1发送给客户端，此时服务器端处于SYN_RCVD状态，
  • 如果连接成功了就变为ESTABLISHED，正常情况下SYN_RCVD状态非常短暂。如果发现有很多SYN_RCVD状态，那你的机器有可能被SYN Flood的DoS(拒绝服务攻击)攻击了。

SYN Flood的攻击原理是：
在进行三次握手时，攻击软件向被攻击的服务器发送SYN连接请求(握手的第一步)，
但是这个地址是伪造的，如攻击软件随机伪造了51.133.163.104、65.158.99.152等等地址。
服务器 在收到连接请求时将标志位 ACK和 SYN 置1发送给客户端(握手的第二步)，
但是这些客户端的IP地址都是伪造的，服务器根本找不到客户机，也就是说握手的第三步不可能
完成。这种情况下服务器端一般会重试(再次发送SYN+ACK给客户端)并等待一段时间后丢弃这个
未完成的连接，这段时间的长度我们称为SYN Timeout，一般来说这个时间是分钟的数量级
(大约为30秒-2分钟);一个用户出现异常导致服务器的一个线程等待1分钟并不是什么很大的问题，
但如果有一个恶意的攻击者大量模拟这种情况，服务器端将为了维护一个非常大的半连接列表而
消耗非常多的资源----数以万计的半连接，即使是简单的保存并遍历也会消耗非常多的
CPU 时间和内存，何况还要不断对这个列表中的IP进行SYN+ACK的重试。
此时从正常客户的角度看来，服务器失去响应，这种情况我们称做： 服务器端受到了
SYN Flood攻击(SYN洪水攻击 )

4:TCP三次握手的过程


握手之前主动打开连接的客户端结束CLOSED阶段，被动打开的服务器端也结束CLOSED阶段，并进入LISTEN阶段。随后开始“三次握手”：

a:首先客户端先向服务器端发送一个TCP报文

  • 标记位为SYN，表示“请求建立新连接”;
  • 序号为Seq=X（X一般为1）（传输信息的时候每个数据包的序号)；
  • 随后客户端进入SYN-SENT阶段（请求连接的阶段）。

b:服务器端收到来自客户端的TCP报文之后,结束LISTEN阶段。并返回一段报文

  • 标志位为SYN和ACK，表示“确认客户端的报文Seq序号有效，服务器能正常接收客户端发送的数据，并同意创建新连接”（即告诉客户端，服务器收到了你的数据）；
  • 序号为Seq=y；（返回一个收到信息的数据包 并给其标序号为y）
  • 确认号为Ack=x+1，表示收到客户端的序号Seq并将其值加1作为自己确认号Ack的值（两端配对 接收到消息 并反馈的过程；随后服务器端进入SYN-RCVD阶段。

ACK:代表确认收到消息

c:客户端接收到来自服务器确认收到数据的TCP报文后，明确了从客户端到服务器的数据传输是正常的，结束SYN-SENT阶段，并返回一段TCP报文

  • 标志位为ACK，表示“确认收到服务器端同意连接的信号”（即告诉服务器，我知道你收到我发的数据了）；
  • 序号为Seq=x+1，表示收到服务器端的确认号Ack，并将其值作为自己的序号值；
  • 确认号为Ack=y+1，表示收到服务器端序号Seq，并将其值加1作为自己的确认号Ack的值；
  • 随后客户端进入ESTABLISHED阶段。（即成功建立了连接）

d:关于确认号Ack和数据包的序号Seq值得变化

  • Ack确认号:就是确认收到消息后 返回给 发送端的 序号（Ack = 发起方的Seq + 1） 即就是下次发送的端的seq序号。
    ACK确认序号（Seq）有效:确认发送的数据包的成功到达
  • Seq:序号:给每个数据包一个序号，保证接受端可以按序收到数据包（首次握手的时候 Seq = 上次握手的时候的Ack值，如果没有 则可以是任意值）
  • 在客户端与服务器端传输的TCP报文中，双方的确认号Ack和序号Seq的值，都是在彼此Ack和Seq值的基础上进行计算的，这样做保证了TCP报文传输的连贯性。一旦出现某一方发出的TCP报文丢失，便无法继续"握手"，以此确保了"三次握手"的顺利完成

5:为甚要三次握手


a:为了防止服务器端开启一些无用的连接增加服务器开销

  • 第一次握手客户端发送的TCP报文，服务端成功接收；然后第二次握手，服务端返回一个确认收到消息的TCP报文，但这个报文因为某些原因丢失了，那么客户端就一直收不到这个TCP报文的。
  • 客户端设置了一个超时时间，超过了就重新发送一个TCP连接请求，那么如果没有第三次握手的话，服务端是不知道客户端是否收到服务返回的信息的，这样没有给服务器端一个创建还是关闭连接端口的请求，服务器端的端口就一直开着，等到客户端因超时重新发出请求时，服务器就会重新开启一个端口连接。那么服务器端上没有接收到请求数据的上一个端口就一直开着，长此以往，这样的端口多了，就会造成服务器端开销的严重浪费。

b:防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端，因而产生错误。

  • 已经失效的客户端发出的请求信息，由于某种原因传输到了服务器端，服务器端以为是客户端发出的有效请求，接收后产生错误。

c:总结

  • 也可以这样理解：“第三次握手”是客户端向服务器端发送数据，这个数据就是要告诉服务器，客户端有没有收到服务器“第二次握手”时传过去的数据。
  • 若发送的这个数据是“收到了”的信息，接收后服务器就正常建立TCP连接，否则建立TCP连接失败，服务器关闭连接端口。由此减少服务器开销和接收到失效请求发生的错误。（如果第三次握手失败的话，那服务端就关闭连接）

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TCP四次挥手（详解）

1:图示

在这里插入图片描述
二:TCP四次挥手的过程


所谓的四次挥手即TCP连接的释放(解除)。连接的释放必须是一方主动释放，另一方被动释放。挥手之前主动释放连接的客户端结束ESTABLISHED阶段。随后开始“四次挥手”：

a:首先客户端想要释放连接，向服务器端发送一段TCP报文，其中

  • 标记位为FIN，表示“请求释放连接“；
  • 序号为Seq=U；
  • 随后客户端进入FIN-WAIT-1阶段，即半关闭阶段。并且停止在客户端到服务器端方向上发送数据，但是客户端仍然能接收从服务器端传输过来的数据。

注意：这里不发送的是正常连接时传输的数据(非确认报文)，而不是一切数据，所以客户端仍然能发送ACK确认报文。
b:服务器端接收到从客户端发出的TCP报文之后，确认了客户端想要释放连接，随后服务器端结束ESTABLISHED阶段，进入CLOSE-WAIT阶段（半关闭状态）并返回一段TCP报文，其中：

  • 标记位为ACK，表示“接收到客户端发送的释放连接的请求”；
  • 序号为Seq=V；
  • 确认号为Ack=U+1，表示是在收到客户端报文的基础上，将其序号Seq值加1作为本段报文确认号Ack的值；
  • 随后服务器端开始准备释放服务器端到客户端方向上的连接。
    客户端收到从服务器端发出的TCP报文之后，确认了服务器收到了客户端发出的释放连接请求，随后客户端结束FIN-WAIT-1阶段，进入FIN-WAIT-2阶段前"两次挥手"既让服务器端知道了客户端想要释放连接，也让客户端知道了服务器端了解了自己想要释放连接的请求。于是，可以确认关闭客户端到服务器端方向上的连接了

c:服务器端自从发出ACK确认报文之后，经过CLOSED-WAIT阶段，做好了释放服务器端到客户端方向上的连接准备，再次向客户端发出一段TCP报文，其中：
（第二次挥手 服务器端回复 确认收到 客户端想要释放连接的请求 返回ACK,但是 服务端还有些数据的处理，所以不能马上断开连接，所以需要第三次握手 即服务端发送 FIN 释放连接的标志位）

  • 标记位为FIN，ACK，表示“已经准备好释放连接了”。注意：这里的ACK并不是确认收到服务器端报文的确认报文。
  • 序号为Seq=W；
  • 确认号为Ack=U+1；表示是在收到客户端报文的基础上，将其序号Seq值加1作为本段报文确认号Ack的值。
    随后服务器端结束CLOSE-WAIT阶段，进入LAST-ACK阶段。并且停止在服务器端到客户端的方向上发送数据，但是服务器端仍然能够接收从客户端传输过来的数据。

d:客户端收到从服务器端发出的TCP报文，确认了服务器端已做好释放连接的准备，结束FIN-WAIT-2阶段，进入TIME-WAIT阶段，并向服务器端发送一段报文，其中：

  • 标记位为ACK，表示“接收到服务器准备好释放连接的信号”。
  • 序号为Seq=U+1；表示是在收到了服务器端报文的基础上，将其确认号Ack值作为本段报文序号的值。
  • 确认号为Ack=W+1；表示是在收到了服务器端报文的基础上，将其序号Seq值作为本段报文确认号的值。随后客户端开始在TIME-WAIT阶段等待2MSL。
    服务器端收到从客户端发出的TCP报文之后结束LAST-ACK阶段，进入CLOSED阶段。由此正式确认关闭服务器端到客户端方向上的连接。
    客户端等待完2MSL之后，结束TIME-WAIT阶段，进入CLOSED阶段，由此完成“四次挥手”。

e:总结
后“两次挥手”既让客户端知道了服务器端准备好释放连接了，也让服务器端知道了客户端了解了自己准备好释放连接了。于是，可以确认关闭服务器端到客户端方向上的连接了，由此完成“四次挥手”。

三:为什么握手是三次，挥手要四次？


a:握手三次（即在一次握手就可以搞定ACK+SYN）
TCP建立连接时之所以只需要"三次握手"，是因为在第二次"握手"过程中，服务器端发送给客户端的TCP报文是以SYN与ACK作为标志位的。SYN是请求连接标志，表示服务器端同意建立连接；ACK是确认报文，表示告诉客户端，服务器端收到了它的请求报文。
即SYN建立连接报文与ACK确认接收报文是在同一次"握手"当中传输的，所以"三次握手"不多也不少，正好让双方明确彼此信息互通。

b:挥手四次
TCP释放连接时之所以需要“四次挥手”,是因为FIN释放连接报文与ACK确认接收报文是分别由第二次和第三次"握手"传输的。

b1:为何建立连接时一起传输，释放连接时却要分开传输？

  • 建立连接时，被动方服务器端结束CLOSED阶段进入“握手”阶段并不需要任何准备，可以直接返回SYN和ACK报文，开始建立连接。
  • 释放连接时，被动方服务器，突然收到主动方客户端释放连接的请求时并不能立即释放连接，因为还有必要的数据需要处理，所以服务器先返回ACK确认收到报文，经过CLOSE-WAIT阶段准备好释放连接之后，才能返回FIN释放连接报文。


四：为什么客户端在TIME-WAIT阶段要等2MSL?


为的是确认服务器端是否收到客户端发出的ACK确认报文

当客户端发出最后的ACK确认报文时，并不能确定服务器端能够收到该段报文。所以客户端在发送完ACK确认报文之后，会设置一个时长为2MSL的计时器。MSL指的是Maximum Segment Lifetime：一段TCP报文在传输过程中的最大生命周期。2MSL即是服务器端发出为FIN报文和客户端发出的ACK确认报文所能保持有效的最大时长。

  • 如果客户端在2MSL内，再次收到了来自服务器端的FIN报文，说明服务器端由于各种原因没有接收到客户端发出的ACK确认报文。客户端再次向服务器端发出ACK确认报文，计时器重置，重新开始2MSL的计时；
  • 否则客户端在2MSL内没有再次收到来自服务器端的FIN报文，说明服务器端正常接收了ACK确认报文，客户端可以进入CLOSED阶段，完成“四次挥手”。

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