TCP的三次握手與四次揮手是什么

# 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。

---

## 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。

---

## 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

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：

  • 若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。 “`