TCP 连接管理:深入分析四次握手与三次挥手

TCP 连接管理:深入分析四次握手与三次挥手


一、TCP 连接建立:四次握手(Four-Way Handshake)

核心目标可靠地协商初始序列号(ISN),确保双方具备双向通信能力,防止历史连接混淆。

工作流程与报文详解
  1. SYN(Client → Server)

    • 标志位SYN=1, ACK=0
    • 序列号(Seq) :随机值 X(Client ISN)
    • 作用:请求建立连接,声明初始序列号。
  2. SYN-ACK(Server → Client)

    • 标志位SYN=1, ACK=1
    • 序列号(Seq) :随机值 Y(Server ISN)
    • 确认号(Ack)X+1(确认收到Client的SYN)
    • 作用:同意建立连接,提供自身ISN,确认客户端SYN。
  3. ACK(Client → Server)

    • 标志位ACK=1
    • 序列号(Seq)X+1(延续Client序列号)
    • 确认号(Ack)Y+1(确认收到Server的SYN)
    • 作用:确认服务端的SYN,连接正式建立。
  4. (可选)ACK + Data

    • 实际中,此报文常携带应用层数据(如HTTP请求)。
为什么需要四次握手?
  • 两次握手缺陷:若失效的SYN(因延迟超时)到达服务端,服务端会错误建立连接。
  • 三次握手解决:Client通过第三次ACK拒绝历史连接(若收到旧SYN的ACK,则发送RST重置)。
内核实现关键点
  • 半连接队列(SYN Queue):存储收到SYN但未完成握手的连接。
  • 全连接队列(Accept Queue) :存储完成握手等待accept()的连接。
  • SYN Flood防御 :使用SYN Cookies(如Linux)避免资源耗尽。

二、TCP 连接终止:三次挥手(Three-Way Handshake)

核心目标双方独立关闭双向数据流,确保数据完整传输。

工作流程与报文详解
  1. FIN(主动关闭方 → 被动方)

    • 标志位FIN=1, ACK=1
    • 序列号(Seq) :当前已发送数据的下一序号 M
    • 作用:声明发送通道关闭(仍可接收数据)。
  2. ACK(被动方 → 主动方)

    • 标志位ACK=1
    • 确认号(Ack)M+1
    • 作用:确认收到FIN,通知应用层关闭。
  3. FIN(被动方 → 主动方)

    • 标志位FIN=1, ACK=1
    • 序列号(Seq)N(可能携带最后数据)
    • 确认号(Ack)M+1(保持对FIN的确认)
    • 作用:通知主动方自身发送通道关闭。
  4. ACK(主动方 → 被动方)

    • 标志位ACK=1
    • 确认号(Ack)N+1
    • 作用:确认被动方的FIN,连接完全关闭。
为什么是三次挥手?
  • 被动方的ACKFIN不能合并发送 :因应用层可能需要时间处理剩余数据(CLOSE_WAIT状态)。

三、关键状态与异常处理

状态 触发条件 意义
SYN_SENT 发送SYN后 等待SYN-ACK
SYN_RECEIVED 收到SYN并回复SYN-ACK 等待最终ACK
ESTABLISHED 完成握手 数据可双向传输
FIN_WAIT_1 主动方发送FIN 等待ACK或FIN
CLOSE_WAIT 被动方收到FIN 等待应用层关闭
LAST_ACK 被动方发送FIN 等待最终ACK
TIME_WAIT 主动方收到FIN并发送ACK 确保被动方收到ACK(2MSL)
TIME_WAIT 的重要性
  • 持续时间2 * MSL(MSL通常为30s/60s)。
  • 作用
    1. 确保被动方重传的FIN能被响应(若ACK丢失)。
    2. 防止相同四元组(源IP/端口 + 目标IP/端口)的新连接收到旧连接的延迟报文。

四、流程图解

连接建立(四次握手)
plaintext 复制代码
  Client                          Server
    |                              |
    |-------- SYN (Seq=X) -------->|  → Server: SYN_RCVD
    |                              |
    |<----- SYN-ACK (Seq=Y, Ack=X+1) --|  → Client: ESTABLISHED
    |                              |
    |------ ACK (Ack=Y+1) -------->|  → Server: ESTABLISHED
    |                              |
连接终止(三次挥手)
plaintext 复制代码
  Client (主动关闭)               Server
    |                              |
    |---------- FIN (Seq=M) ------>|  → Server: CLOSE_WAIT
    |                              |
    |<------- ACK (Ack=M+1) -------|  
    |                              |
    |<------- FIN (Seq=N) ---------|  → Server: LAST_ACK
    |                              |
    |------ ACK (Ack=N+1) -------->|  → Client: TIME_WAIT (2MSL)
    |                              |      Server: CLOSED

五、总结

特性 四次握手 三次挥手
核心目的 协商初始序列号,防止历史连接 独立关闭双向数据流
关键状态 SYN_SENT, SYN_RCVD FIN_WAIT, CLOSE_WAIT, TIME_WAIT
设计难点 SYN Flood攻击防御 TIME_WAIT优化与端口复用
合并报文 ACK与数据合并常见 ACK与FIN不可合并(需等待应用层)

实际意义

  • 握手:确保通信双方具备可靠传输的基础能力。
  • 挥手:优雅终止连接,避免数据丢失与资源泄漏。
  • TIME_WAIT:TCP可靠性设计的最后防线,牺牲短期资源换取协议健壮性。

补充:在极端优化场景(如HTTP/1.1 Keep-Alive)中,一个连接可处理多次请求,减少握手/挥手开销。但底层机制仍是TCP可靠性的基石。

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