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TCP的三次握手與四次揮手是什么

發布時間:2022-02-19 09:25:39 來源:億速云 閱讀:182 作者:iii 欄目:開發技術
# TCP的三次握手與四次揮手是什么

## 引言

在計算機網絡通信中,TCP(傳輸控制協議)是互聯網協議套件中最核心的協議之一,負責在不可靠的網絡環境中提供可靠的、面向連接的通信服務。TCP連接的建立和終止過程分別通過**三次握手(Three-way Handshake)**和**四次揮手(Four-way Handshake)**機制實現。本文將深入解析這兩個過程的原理、作用及常見問題。

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## 一、TCP協議基礎

### 1.1 TCP的特點
- **面向連接**:通信前需建立連接,結束后釋放連接。
- **可靠傳輸**:通過確認、重傳、流量控制等機制保證數據準確送達。
- **全雙工通信**:雙方可同時發送和接收數據。
- **基于字節流**:數據被看作無結構的字節序列。

### 1.2 TCP報文結構
TCP報文頭部包含以下關鍵字段:
- **序列號(Sequence Number)**:標識數據字節流的順序。
- **確認號(Acknowledgment Number)**:期望收到的下一個字節序號。
- **控制標志位**:
  - `SYN`:同步序列號,用于建立連接。
  - `ACK`:確認標志。
  - `FIN`:終止連接標志。

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## 二、三次握手:建立連接

### 2.1 握手過程
三次握手的目標是同步雙方的初始序列號(ISN),并確認雙方的收發能力正常。

1. **第一次握手(SYN=1)**  
   - 客戶端發送`SYN=1`報文,隨機生成初始序列號`seq=x`。
   - 進入`SYN_SENT`狀態。

2. **第二次握手(SYN=1, ACK=1)**  
   - 服務端收到`SYN`后,回復`SYN=1`和`ACK=1`,確認號`ack=x+1`,并發送自己的初始序列號`seq=y`。
   - 進入`SYN_RCVD`狀態。

3. **第三次握手(ACK=1)**  
   - 客戶端確認服務端的`SYN`,發送`ACK=1`,確認號`ack=y+1`。
   - 雙方進入`ESTABLISHED`狀態,連接建立完成。

```plaintext
客戶端                          服務端
  |-------- SYN=1, seq=x ------->|
  |<-- SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1 --|
  |------- ACK=1, ack=y+1 ------>|

2.2 為什么需要三次握手?

  • 防止歷史重復連接初始化:避免因網絡延遲導致的無效連接請求占用資源。
  • 同步雙方初始序列號:確保雙方能正確組裝數據包。
  • 驗證雙向通信能力:確認客戶端和服務端的發送、接收功能正常。

2.3 常見問題

  • SYN洪泛攻擊(SYN Flood):攻擊者發送大量SYN但不完成握手,耗盡服務端資源。防御手段包括SYN Cookie機制。

三、四次揮手:終止連接

3.1 揮手過程

由于TCP是全雙工的,每個方向需單獨關閉連接。

  1. 第一次揮手(FIN=1)

    • 主動關閉方(如客戶端)發送FIN=1報文,序列號seq=u。
    • 進入FIN_WT_1狀態。
  2. 第二次揮手(ACK=1)

    • 被動關閉方(如服務端)回復ACK=1,確認號ack=u+1。
    • 服務端進入CLOSE_WT狀態,客戶端進入FIN_WT_2狀態。
  3. 第三次揮手(FIN=1)

    • 服務端處理完剩余數據后,發送FIN=1報文,序列號seq=v。
    • 進入LAST_ACK狀態。
  4. 第四次揮手(ACK=1)

    • 客戶端確認FIN,發送ACK=1,確認號ack=v+1。
    • 客戶端進入TIME_WT狀態,等待2MSL后關閉;服務端直接關閉。
客戶端                          服務端
  |-------- FIN=1, seq=u ------->|
  |<-- ACK=1, ack=u+1 -----------|
  |<-------- FIN=1, seq=v -------|
  |------- ACK=1, ack=v+1 ------>|

3.2 為什么需要四次揮手?

  • 全雙工特性:每個方向需獨立關閉。被動方可能仍有數據需發送,故先確認FIN,待數據發送完畢后再發送自己的FIN。

3.3 TIME_WT狀態的作用

  • 確保最后一個ACK到達:若ACK丟失,被動方可重傳FIN。
  • 避免新舊連接混淆:等待2MSL(報文最大生存時間)確保網絡中所有舊報文失效。

四、關鍵問題與擴展

4.1 握手與揮手的區別

特性 三次握手 四次揮手
目的 建立連接 終止連接
交互次數 3次 4次
是否需同步 同步序列號 無序列號同步需求

4.2 異常場景處理

  • 握手階段丟包

    • 若客戶端SYN丟失,會超時重傳。
    • 若服務端SYN+ACK丟失,客戶端重傳SYN。
  • 揮手階段丟包

    • FIN丟失,會觸發超時重傳機制。

4.3 實際應用中的優化

  • 快速握手(TCP Fast Open):允許在首次握手中攜帶數據,減少延遲。
  • 半關閉狀態:通過shutdown()函數實現單向關閉。

五、總結

TCP的三次握手和四次揮手是保障可靠通信的核心機制。三次握手解決了連接初始化時的同步與驗證問題,而四次揮手則適應了全雙工通信的特性,確保連接優雅關閉。理解這些過程有助于診斷網絡問題(如連接超時、端口占用等),并為高性能網絡編程奠定基礎。

思考題:如果TCP采用兩次握手建立連接,會存在哪些風險?
答案:可能導致歷史重復連接占用資源,或無法驗證服務端的接收能力。 “`

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