深度解析 TCP 三次握手与四次挥手：从原理到 HTTP/HTTPS 的应用

结城2025-08-06 19:18

TCP 的三次握手和四次挥手是网络通信的基石，无论是 HTTP 还是 HTTPS，它们都依赖 TCP 提供可靠的传输层服务。本文将用万字篇幅，结合 Mermaid 图表和代码示例，深入讲解 TCP 三次握手、四次挥手的原理、过程、状态变化，以及它们在 HTTP 和 HTTPS 中的应用场景。无论你是网络新手还是想深入理解 TCP 的开发者，这篇文章都会带你全面掌握这些核心机制！

1. TCP 协议概述

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是互联网协议栈中的传输层协议，旨在提供可靠的、面向连接的、字节流传输服务。它确保数据包按序到达、无丢失、无重复，广泛应用于 HTTP、HTTPS、FTP 等协议。

TCP 的核心特性：

  • 可靠性：通过序列号、确认机制和重传机制保证数据完整性。
  • 面向连接：通信前通过三次握手建立连接，通信后通过四次挥手断开连接。
  • 流量控制：通过滑动窗口避免发送方过载接收方。
  • 拥塞控制：通过算法（如慢启动、拥塞避免）适应网络状况。

TCP 在协议栈中的位置：
应用层: HTTP/HTTPS 传输层: TCP 网络层: IP 数据链路层 物理层

图表说明：

  • HTTP/HTTPS 运行在应用层，依赖 TCP 提供可靠传输。
  • TCP 封装数据为段（Segment），交给 IP 层传输。

2. TCP 三次握手详解

三次握手（Three-Way Handshake）是 TCP 建立连接的过程，确保双方准备好通信并协商初始序列号。它包含三次数据包交互，涉及客户端和服务器之间的状态转换。

2.1 三次握手的流程

三次握手的目的是建立可靠的连接，确保双方都能发送和接收数据，同时初始化序列号以跟踪数据传输。

三次握手流程图：
客户端 服务器 SYN (seq=x) 服务器: LISTEN ->> SYN_RECEIVED SYN+ACK (seq=y, ack=x+1) 客户端: SYN_SENT ->> ESTABLISHED ACK (ack=y+1) 服务器: SYN_RECEIVED ->> ESTABLISHED 数据传输 客户端 服务器

流程详解：

  1. 第一次握手（SYN）：

    • 客户端发送 SYN（Synchronize）包，包含初始序列号 seq=x。
    • 客户端进入 SYN_SENT 状态，等待服务器响应。
    • 目的：通知服务器客户端希望建立连接，并提供初始序列号。

  2. 第二次握手（SYN+ACK）：

    • 服务器收到 SYN 包，回复 SYN+ACK 包，包含自己的初始序列号 seq=y 和确认号 ack=x+1。
    • 服务器从 LISTEN 状态进入 SYN_RECEIVED 状态。
    • 目的：确认收到客户端的 SYN，并表明服务器也准备好通信。

  3. 第三次握手（ACK）：

    • 客户端收到 SYN+ACK 包，回复 ACK 包，包含确认号 ack=y+1。
    • 客户端进入 ESTABLISHED 状态，服务器收到 ACK 后也进入 ESTABLISHED 状态。
    • 目的：确认双方都已准备好，连接正式建立。

状态转换图：
服务器启动 客户端发送 SYN 收到 SYN，发送 SYN+ACK 收到 SYN+ACK，发送 ACK 收到 ACK CLOSED LISTEN SYN_SENT SYN_RECEIVED ESTABLISHED style #FF6384 #36A2EB
#FFCE56
#4BC0C0
#36A2EB

关键点：

  • 为什么需要三次握手？
    • 确保双方都能发送和接收数据（双向通信）。
    • 同步初始序列号，避免旧连接干扰。
    • 防止因网络延迟导致的错误连接（如重复的 SYN 包）。
  • 序列号的作用 ：
    • TCP 使用序列号（Sequence Number）跟踪数据段的顺序。
    • 确认号（Acknowledgment Number）表示期望接收的下一个字节。

2.2 三次握手的代码模拟

以下是使用 Node.js 的简单代码模拟三次握手的概念（实际 TCP 握手由操作系统内核处理）：

javascript 复制代码 
const net = require('net');

// 服务器端
const server = net.createServer((socket) => {
  console.log('客户端发起连接 (SYN)');
  socket.write('SYN+ACK', () => {
    console.log('服务器响应 SYN+ACK');
  });
  socket.on('data', (data) => {
    if (data.toString() === 'ACK') {
      console.log('客户端确认 ACK，连接建立');
      socket.write('欢迎开始数据传输！');
    }
  });
});

server.listen(8080, () => {
  console.log('服务器监听中 (LISTEN)');
});

// 客户端
const client = new net.Socket();
client.connect(8080, '127.0.0.1', () => {
  console.log('客户端发送 SYN');
  client.write('SYN');
});

client.on('data', (data) => {
  if (data.toString() === 'SYN+ACK') {
    console.log('收到 SYN+ACK，发送 ACK');
    client.write('ACK');
  } else {
    console.log('收到数据:', data.toString());
  }
});

运行结果：

  1. 服务器启动，进入 LISTEN 状态。
  2. 客户端发送 SYN，模拟第一次握手。
  3. 服务器响应 SYN+ACK，模拟第二次握手。
  4. 客户端发送 ACK，模拟第三次握手，连接建立。

优化建议：

  • 在实际应用中，TCP 握手由操作系统内核完成，开发者无需手动实现。
  • 确保服务器监听端口未被占用，避免握手失败。

3. TCP 四次挥手详解

四次挥手（Four-Way Handshake）是 TCP 断开连接的过程，确保双方有序关闭连接，避免数据丢失。

3.1 四次挥手的流程

四次挥手的目的是安全关闭连接，确保双方都完成数据发送并确认对方已收到。

四次挥手流程图：
客户端 服务器 FIN (seq=x) 服务器: ESTABLISHED ->> CLOSE_WAIT ACK (ack=x+1) 客户端: FIN_WAIT_1 ->> FIN_WAIT_2 FIN (seq=y) 客户端: FIN_WAIT_2 ->> TIME_WAIT ACK (ack=y+1) 服务器: CLOSE_WAIT ->> CLOSED 客户端: TIME_WAIT ->> CLOSED 客户端 服务器

流程详解：

  1. 第一次挥手（FIN）：

    • 客户端（或服务器）发送 FIN（Finish）包，包含序列号 seq=x，表示不再发送数据。
    • 客户端进入 FIN_WAIT_1 状态。
    • 目的：通知对方客户端希望关闭连接。

  2. 第二次挥手（ACK）：

    • 服务器收到 FIN，回复 ACK 包，包含确认号 ack=x+1。
    • 服务器进入 CLOSE_WAIT 状态，客户端进入 FIN_WAIT_2 状态。
    • 目的：确认收到客户端的 FIN，允许服务器继续发送未完成的数据。

  3. 第三次挥手（FIN）：

    • 服务器发送完剩余数据后，发送 FIN 包，包含序列号 seq=y。
    • 服务器进入 LAST_ACK 状态。
    • 目的：通知客户端服务器也准备关闭连接。

  4. 第四次挥手（ACK）：

    • 客户端收到 FIN，回复 ACK 包，包含确认号 ack=y+1。
    • 客户端进入 TIME_WAIT 状态，等待一段时间（通常 2MSL，最大段生存时间）后进入 CLOSED 状态。
    • 服务器收到 ACK 后进入 CLOSED 状态。
    • 目的：确认双方都完成关闭，避免残留数据包干扰。

状态转换图：
客户端发送 FIN 收到 ACK 收到 FIN，发送 ACK 发送 FIN 收到 FIN，发送 ACK 收到 ACK 等待 2MSL ESTABLISHED FIN_WAIT_1 FIN_WAIT_2 CLOSE_WAIT LAST_ACK TIME_WAIT CLOSED style #36A2EB #FFCE56
#4BC0C0
#FF6384
#36A2EB
#FFCE56
#4BC0C0

关键点：

  • 为什么需要四次挥手？
    • TCP 是全双工通信，双方需要分别关闭发送方向的连接。
    • 四次挥手确保双方都完成数据发送并确认。
  • TIME_WAIT 的作用 ：
    • 防止旧连接的数据包干扰新连接。
    • 确保服务器收到最后的 ACK，避免服务器无限等待。
  • 2MSL 等待时间 ：
    • MSL（Maximum Segment Lifetime）是数据包在网络中的最大存活时间。
    • 2MSL 确保网络中残留的数据包失效。

3.2 四次挥手的代码模拟

以下是 Node.js 模拟四次挥手的概念（简化版）：

javascript 复制代码 
const net = require('net');

// 服务器
const server = net.createServer((socket) => {
  socket.on('data', (data) => {
    if (data.toString() === 'FIN') {
      console.log('收到客户端 FIN，发送 ACK');
      socket.write('ACK');
      setTimeout(() => {
        console.log('服务器发送 FIN');
        socket.write('FIN');
      }, 1000); // 模拟服务器处理剩余数据
    } else if (data.toString() === 'ACK') {
      console.log('收到客户端 ACK，服务器关闭连接');
      socket.end();
    }
  });
});

server.listen(8080, () => {
  console.log('服务器监听中');
});

// 客户端
const client = new net.Socket();
client.connect(8080, '127.0.0.1', () => {
  console.log('客户端发送 FIN');
  client.write('FIN');
});

client.on('data', (data) => {
  if (data.toString() === 'ACK') {
    console.log('收到服务器 ACK');
  } else if (data.toString() === 'FIN') {
    console.log('收到服务器 FIN，发送 ACK');
    client.write('ACK');
    setTimeout(() => {
      console.log('客户端进入 TIME_WAIT，关闭连接');
      client.end();
    }, 2000); // 模拟 2MSL 等待
  }
});

运行结果：

  1. 客户端发送 FIN，模拟第一次挥手。
  2. 服务器响应 ACK，模拟第二次挥手。
  3. 服务器发送 FIN，模拟第三次挥手。
  4. 客户端响应 ACK，进入 TIME_WAIT，模拟第四次挥手。

4. TCP 在 HTTP 和 HTTPS 中的应用

HTTP 和 HTTPS 都基于 TCP 提供可靠传输，下面分析它们如何利用三次握手和四次挥手。

4.1 HTTP 与 TCP

HTTP（HyperText Transfer Protocol）是应用层协议，运行在 TCP 之上，用于传输网页内容。

HTTP 请求流程图：
客户端 服务器 三次握手 SYN SYN+ACK ACK HTTP 请求 GET /index.html 200 OK, HTML 数据 四次挥手 FIN ACK FIN ACK 客户端 服务器

关键点：

  • 短连接（HTTP/1.0）：每次请求都需要新的 TCP 连接（三次握手 + 四次挥手），开销较大。
  • 长连接（HTTP/1.1） ：通过 Connection: keep-alive，在同一 TCP 连接上复用多个请求，减少握手开销。

代码示例（HTTP 长连接）：

http 复制代码 
GET /index.html HTTP/1.1
Host: example.com
Connection: keep-alive

优化建议：

  • 使用 HTTP/1.1 或 HTTP/2 的长连接减少 TCP 握手次数。
  • 合并请求（如 CSS Sprites）减少连接需求。

4.2 HTTPS 与 TCP

HTTPS（HTTP Secure）在 HTTP 基础上通过 TLS/SSL 提供加密通信，但仍依赖 TCP。

HTTPS 连接流程图：
客户端 服务器 三次握手 SYN SYN+ACK ACK TLS 握手 Client Hello Server Hello, Certificate Key Exchange, Change Cipher Spec Change Cipher Spec HTTP 请求 GET /index.html (加密) 200 OK, HTML 数据 (加密) 四次挥手 FIN ACK FIN ACK 客户端 服务器

关键点：

  • TLS 握手：在 TCP 三次握手后，HTTPS 额外进行 TLS 握手，协商加密算法和密钥。
  • 性能开销：TLS 握手增加延迟，但通过会话复用（Session Resumption）可优化。
  • 四次挥手：与 HTTP 相同，HTTPS 在数据传输完成后通过四次挥手关闭连接。

优化建议：

  • 使用 TLS 1.3，减少握手轮次。
  • 启用会话复用（如 Session Tickets）减少 TLS 握手开销。
  • 使用 HSTS（HTTP Strict Transport Security）强制 HTTPS。

5. TCP 常见问题与优化

5.1 三次握手的问题

  • SYN 洪水攻击：

    • 攻击者发送大量 SYN 包但不完成第三次握手，导致服务器资源耗尽。
    • 防御：使用 SYN Cookie，限制半连接队列大小。

  • 延迟影响：

    • 三次握手增加初次连接的延迟，特别是在高延迟网络中。
    • 优化：使用 TCP Fast Open（TFO），在第一次握手时携带数据。

5.2 四次挥手的问题

  • TIME_WAIT 堆积：

    • 客户端在 TIME_WAIT 状态等待 2MSL，可能导致端口耗尽。
    • 优化：调整系统参数（如 tcp_tw_reuse），或使用长连接减少挥手。

  • 半关闭状态：

    • 服务器在 CLOSE_WAIT 状态停留时间过长，可能因未及时发送 FIN。
    • 优化：确保服务器及时关闭连接。

问题与优化对比图：
问题 SYN 洪水攻击 TIME_WAIT 堆积 优化 SYN Cookie TCP Fast Open 长连接

6. 完整流程总览

以下是 TCP 三次握手、四次挥手以及 HTTP/HTTPS 应用的完整流程图，清晰展示整个通信过程。

完整通信流程图：

sequenceDiagram participant C as 客户端 participant S as 服务器 Note over C,S: 三次握手 C->>S: SYN (seq=x) S->>C: SYN+ACK (seq=y, ack=x+1) C->>S: ACK (ack=y+1) Note over C,S: HTTPS: TLS 握手 C->>S: Client Hello S->>C: Server Hello, Certificate C->>S: Key Exchange, Change Cipher Spec S->>C: Change Cipher Spec Note over C,S: HTTP/HTTPS 数据传输 C->>S: GET /index.html (加密) S->>C: 200 OK, HTML 数据 (加密) Note over C,S: 四次挥手 C->>S: FIN (seq=x) S->>C: ACK (ack=x+1) S->>C: FIN (seq=y) C->>S: ACK (ack=y+1) style C fill:#36A2EB style S fill:#FFCE56

图表说明：

  • 三次握手：建立 TCP 连接，初始化序列号。
  • TLS 握手：HTTPS 额外协商加密参数。
  • 数据传输：HTTP/HTTPS 请求和响应。
  • 四次挥手：有序关闭连接，确保数据完整性。

7. 总结

TCP 的三次握手和四次挥手是网络通信的基石，确保了可靠的连接建立和关闭。HTTP 和 HTTPS 依赖 TCP 提供稳定传输，HTTPS 额外通过 TLS 握手实现加密。三次握手同步序列号，四次挥手确保数据发送完成，结合 Mermaid 图表和代码示例，我们清晰地展示了这些机制的原理和应用场景。

通过优化（如长连接、TLS 1.3、TCP Fast Open），我们可以显著提升网络性能。希望这篇文章能让你深入理解 TCP 握手与挥手机制，并在开发中更高效地应用 HTTP 和 HTTPS！

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