深入理解 TCP 三次握手与四次挥手

[一、TCP 三次握手](#一、TCP 三次握手)

[1.1 三次握手的目的](#1.1 三次握手的目的)

[1.2 三次握手流程](#1.2 三次握手流程)

[1.3 三次握手示意图](#1.3 三次握手示意图)

[二、TCP 四次挥手](#二、TCP 四次挥手)

[2.1 四次挥手的目的](#2.1 四次挥手的目的)

[2.2 四次挥手流程](#2.2 四次挥手流程)

[2.3 四次挥手示意图](#2.3 四次挥手示意图)

三、常见面试题解析

[3.1 为什么 TCP 建立连接是三次握手，而关闭连接是四次挥手？](#3.1 为什么 TCP 建立连接是三次握手，而关闭连接是四次挥手？)

[3.2 为什么 TCP 在四次挥手中要等待 2MSL？](#3.2 为什么 TCP 在四次挥手中要等待 2MSL？)

[3.3 为什么不能使用"两次握手"建立连接？](#3.3 为什么不能使用“两次握手”建立连接？)

四、总结

在计算机网络中，TCP（传输控制协议）是一种面向连接、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。它的核心目标是确保数据的可靠传输 ，即数据在复杂的网络环境中既不会丢失也不会乱序。为了实现这一点，TCP 设计了独特的三次握手 和四次挥手机制，确保连接的稳定性和数据的完整性。

本文将详细讲解 TCP 的三次握手和四次挥手过程，并深入探讨背后的原理及面试常见问题。

一、TCP 三次握手

1.1 三次握手的目的

TCP 的三次握手旨在确认双方的接收和发送能力，并协商好初始序列号（ISN），为数据传输做好准备。

1.2 三次握手流程

以下是三次握手的详细步骤：

第一步：客户端 → 服务器

客户端 发送一个带有 SYN（同步序列号）标志的 TCP 报文段。
报文中包含客户端选择的初始序列号 （client_isn）。
此时，客户端进入 SYN_SENT 状态，表示客户端已发送连接请求，等待服务器响应。

第二步：服务器 → 客户端

服务器 收到客户端的 SYN 报文段后，向客户端发送一个 SYN + ACK 报文段。
报文中包含：
- 服务器选择的初始序列号 （server_isn）。
- 对客户端 SYN 的确认号 （client_isn + 1）。
此时，服务器进入 SYN_RCVD 状态，表示服务器已收到客户端的连接请求并同意建立连接。

第三步：客户端 → 服务器

客户端 收到 SYN + ACK 报文后，向服务器发送一个 ACK 报文段。
报文中包含：
- 确认号 为 server_isn + 1（确认已收到服务器的 SYN 报文）。
- 序列号 为 client_isn + 1。
此时，客户端进入 ESTABLISHED 状态，表示连接已建立。
服务器收到 ACK 报文后，也进入 ESTABLISHED 状态。

至此，TCP 连接建立完成。

1.3 三次握手示意图

Lua 复制代码

客户端                               服务器
   SYN (client_isn)   -------->    SYN_RCVD
   SYN + ACK (server_isn) <-------- SYN_SENT
   ACK (server_isn + 1)  --------> ESTABLISHED

二、TCP 四次挥手

2.1 四次挥手的目的

TCP 的四次挥手用于安全地关闭连接，确保数据已传输完成，避免数据丢失。

2.2 四次挥手流程

以下是四次挥手的详细步骤：

第一次挥手：客户端 → 服务器

客户端 发送一个带有 FIN（结束）标志的 TCP 报文段，表示客户端已经没有数据要发送，但仍可接收服务器的数据。
报文中包含序列号 （client_seq）。
此时，客户端进入 FIN_WAIT_1 状态。

第二次挥手：服务器 → 客户端

服务器 收到 FIN 报文段后，向客户端发送一个 ACK 报文段确认收到 FIN。
报文中包含：
- 确认号 为 client_seq + 1。
- 序列号 为 server_seq。
此时，服务器进入 CLOSE_WAIT 状态，客户端进入 FIN_WAIT_2 状态。

第三次挥手：服务器 → 客户端

当服务器确认所有数据已发送完毕时，向客户端发送一个 FIN 报文段，表示服务器也已准备好断开连接。
报文中包含序列号 为 server_seq + 1。
此时，服务器进入 LAST_ACK 状态。

第四次挥手：客户端 → 服务器

客户端 收到 FIN 报文段后，发送一个 ACK 报文段确认收到 FIN。
报文中包含：
- 确认号 为 server_seq + 2。
- 序列号 为 client_seq + 1。
客户端进入 TIME_WAIT 状态并等待一段时间（2MSL）后关闭。
服务器收到该 ACK 报文段后，进入 CLOSED 状态。

2.3 四次挥手示意图

Lua 复制代码

客户端                               服务器
   FIN (client_seq)  -------->     CLOSE_WAIT
   ACK (client_seq + 1) <--------  FIN_WAIT_2
   FIN (server_seq)   <--------    LAST_ACK
   ACK (server_seq + 2) -------->  CLOSED

三、常见面试题解析

3.1 为什么 TCP 建立连接是三次握手，而关闭连接是四次挥手？

原因：

建立连接时，服务器可以将 SYN 和 ACK 合并在一个报文中，减少一次通信。
关闭连接时，服务器可能还有未发送的数据，因此 FIN 和 ACK 通常是分开发送的，从而多了一次挥手。

3.2 为什么 TCP 在四次挥手中要等待 2MSL？

**MSL（Maximum Segment Lifetime）**是一个数据包在网络中可能存活的最长时间。等待 2MSL 有以下两点原因：

确保服务器正确关闭连接：
- 若客户端的 ACK 报文在传输中丢失，服务器会在超时后重发 FIN 报文。
- 客户端在 2MSL 内能接收到这个 FIN 并重新发送 ACK，确保服务器安全关闭。
防止已失效的数据包干扰新连接：
- 若客户端立刻关闭连接并重新发起新连接，之前网络中残留的旧数据包可能会被错误地当作新连接的数据，导致数据错乱。
- 2MSL 的等待时间可确保之前的连接数据包完全消失。

3.3 为什么不能使用"两次握手"建立连接？

两次握手存在以下风险：

若客户端的 SYN 包因网络延迟滞留在网络中，当客户端重新发送 SYN 并成功建立连接后，之前滞留的 SYN 包可能会再次到达服务器。
服务器会误以为这是新的连接请求，从而建立错误的连接，导致资源浪费或数据错乱。

四、总结

三次握手 是为了确认双方的收发能力 并协商初始序列号，确保数据传输的可靠性。
四次挥手是为了确保数据传输完成后再安全断开连接，避免数据丢失。
2MSL 等待机制保证了网络中的延迟数据包不会干扰新连接，是 TCP 保证可靠性的重要机制。

理解 TCP 的这些机制对网络编程、系统优化和面试应对至关重要。掌握这些知识，能够更好地理解 TCP 协议的精妙设计。