TCP的三次握手與四次揮手

TCP報文段的首部格式

序列號seq：占4個位元組，用來標記資料段的順序，TCP把連線中傳送的所有資料位元組都編上一個序號，第一個位元組的編號由本地隨機產生；給位元組編上序號後，就給每一個報文段指派一個序號；序列號seq就是這個報文段中的第一個位元組的資料編號。

確認號ack：占4個位元組，期待收到對方下一個報文段的第一個資料位元組的序號；序列號表示報文段攜帶資料的第一個位元組的編號；而確認號指的是期望接收到下一個位元組的編號；因此當前報文段最後一個位元組的編號+1即為確認號。

確認ACK：占1位，僅當ACK=1時，確認號欄位才有效。ACK=0時，確認號無效。TCP規定，在連線建立後所有傳送的報文段都必須把ACK置為1。

同步SYN：連線建立時用於同步序號。當SYN=1，ACK=0時表示：這是一個連線請求報文段。若同意連線，則在響應報文段中使得SYN=1，ACK=1。因此，SYN=1表示這是一個連線請求，或連線接受報文。SYN這個標誌位只有在TCP建產連線時才會被置1，握手完成後SYN標誌位被置0。

終止FIN：用來釋放一個連線。FIN=1表示：此報文段的傳送方的資料已經傳送完畢，並要求釋放運輸連線

PS：ACK、SYN和FIN這些大寫的單詞表示標誌位，其值要麼是1，要麼是0；ack、seq小寫的單詞表示序號。

TCP三次握手

第一次握手：建立連線時，用戶端傳送syn包（syn=j）到伺服器，並進入SYN_SENT狀態，等待伺服器確認；SYN：同步序列編號（Synchronize Sequence Numbers）。

第二次握手：伺服器收到syn包，必須確認客戶的SYN（ack=j+1），同時自己也傳送一個SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此時伺服器進入SYN_RECV狀態；

第三次握手：用戶端收到伺服器的SYN+ACK包，向伺服器傳送確認包ACK(ack=k+1），此包傳送完畢，用戶端和伺服器進入ESTABLISHED（TCP連線成功）狀態，完成三次握手

TCP四次揮手

1）用戶端進程發出連線釋放報文，並且停止傳送資料。釋放資料包文首部，FIN=1，其序列號為seq=u（等於前面已經傳送過來的資料的最後一個位元組的序號加1），此時，用戶端進入FIN-WAIT-1（終止等待1）狀態。 TCP規定，FIN報文段即使不攜帶資料，也要消耗一個序號。

2）伺服器收到連線釋放報文，發出確認報文，ACK=1，ack=u+1，並且帶上自己的序列號seq=v，此時，伺服器端就進入了CLOSE-WAIT（關閉等待）狀態。TCP伺服器通知高層的應用進程，用戶端向伺服器的方向就釋放了，這時候處於半關閉狀態，即用戶端已經沒有資料要傳送了，但是伺服器若傳送資料，用戶端依然要接受。這個狀態還要持續一段時間，也就是整個CLOSE-WAIT狀態持續的時間。

3）用戶端收到伺服器的確認請求後，此時，用戶端就進入FIN-WAIT-2（終止等待2）狀態，等待伺服器傳送連線釋放報文（在這之前還需要接受伺服器傳送的最後的資料）。

4）伺服器將最後的資料傳送完畢後，就向用戶端傳送連線釋放報文，FIN=1，ack=u+1，由於在半關閉狀態，伺服器很可能又傳送了一些資料，假定此時的序列號為seq=w，此時，伺服器就進入了LAST-ACK（最後確認）狀態，等待用戶端的確認。

5）用戶端收到伺服器的連線釋放報文後，必須發出確認，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列號是seq=u+1，此時，用戶端就進入了TIME-WAIT（時間等待）狀態。注意此時TCP連線還沒有釋放，必須經過2∗∗MSL（最長報文段壽命）的時間後，當用戶端復原相應的TCB後，才進入CLOSED狀態。

6）伺服器只要收到了用戶端發出的確認，立即進入CLOSED狀態。同樣，復原TCB後，就結束了這次的TCP連線。可以看到，伺服器結束TCP連線的時間要比用戶端早一些。

常見面試題

1. 為什麼連線的時候是三次握手，關閉的時候卻是四次握手？

因為當Server端收到Client端的SYN連線請求報文後，可以直接傳送SYN+ACK報文。其中ACK報文是用來應答的，SYN報文是用來同步的。但是關閉連線時，當Server端收到FIN報文時，很可能並不會立即關閉SOCKET，所以只能先回復一個ACK報文，告訴Client端，"你發的FIN報文我收到了"。只有等到我Server端所有的報文都傳送完了，我才能傳送FIN報文，因此不能一起傳送。故需要四步握手。

2. 為什麼不能用兩次握手進行連線？

這主要是為了防止已失效的連線請求報文段突然又傳到了B，因而產生錯誤。

現假定一種異常情況，即A發出的第一個連線請求報文段並沒有丟失，而是在某些網路節點長時間滯留了，以致延誤到連線釋放後的某個時間才到達B。本來這是一個早已失效的報文段。但B受到此失效的連線請求報文段後，就誤以為是A又發出一次新的連線請求，於是就向A發出確認報文段，同意建立連線。假定不採用第三次報文握手，那麼只要B發出確認，新的連線就建立了。

由於現在A並沒有發出建立連線的請求，因此不會理睬B的確認，也不會向B傳送資料，但B卻以為新的運輸連線已經建立了，並一直等待A發來的資料。B的許多資源就這樣白白浪費了。

採用三次握手連線，可以防止上述現象的發生。例如在剛才的異常情況下，A不會向B的確認發出確認，B由於收不到確認，就知道A並沒有要求建立連線，於是B就不會再建立連線。

3. 為什麼TIME_WAIT狀態需要經過2MSL(最大報文段生存時間)才能返回到CLOSE狀態？

• 第一，為了保證A傳送的最後一個ACK報文段能夠到達B。假設網路是不可靠的，有可以最後一個ACK丟失。所以TIME_WAIT狀態就是用來重發可能丟失的ACK報文。在Client傳送出最後的ACK回復，但該ACK可能丟失。Server如果沒有收到ACK，將不斷重複傳送FIN片段。所以Client不能立即關閉，它必須確認Server接收到了該ACK。Client會在傳送出ACK之後進入到TIME_WAIT狀態。Client會設定一個計時器，等待2MSL的時間。如果在該時間內再次收到FIN，那麼Client會重發ACK並再次等待2MSL。所謂的2MSL是兩倍的MSL(Maximum Segment Lifetime)。MSL指一個片段在網路中最大的存活時間，2MSL就是一個傳送和一個回復所需的最大時間。如果直到2MSL，Client都沒有再次收到FIN，那麼Client推斷ACK已經被Server成功接收，則結束TCP連線。
• 第二，防止“已失效的連線請求報文段”出現在本連線中。A在傳送完最後一個ACK報文段後，再經過時間2MSL，就可以使本連線持續的時間內所產生的所有報文段都從網路中消失。這樣就可以使下一個新的連線中不會出現這種舊的連線請求報文段。

4. 如果已經建立了連線，但是用戶端突然出現故障了怎麼辦？

TCP還設有一個保活計時器，顯然，用戶端如果出現故障，伺服器不能一直等下去，白白浪費資源。伺服器每收到一次用戶端的請求後都會重新復位這個計時器，時間通常是設定為2小時，若兩小時還沒有收到用戶端的任何資料，伺服器就會傳送一個探測報文段，以後每隔75分鐘傳送一次。若一連傳送10個探測報文仍然沒反應，伺服器就認為用戶端出了故障，接著就關閉連線。