什么是TCP

在了解三次握手四次揮手前必須先了解什么是tcp。

TCP是面向連接的，可靠的，基于字節(jié)流的傳輸層協(xié)議。

• 連接：所謂連接其實是保證可靠性和流量控制的狀態(tài)信息的總和，包括sokict,滑動窗口和序列號。
• 可靠性：tcp通過序列號，重傳機(jī)制，滑動窗口等一系列控制機(jī)制保證數(shù)據(jù)的無重復(fù)，無丟失，有序的被接受端處理。
• 字節(jié)流：tcp的數(shù)據(jù)是基于字節(jié)流，因此是無邊界，數(shù)據(jù)是可以無限大的，tcp可以通過分片機(jī)制將數(shù)據(jù)有序發(fā)送到接收端。

TCP結(jié)構(gòu)

TCP的頭部在無“選項”字段的情況下是20個字節(jié)。包括：

• 2字節(jié)的源端口
• 2字節(jié)的目標(biāo)端口
• 4字節(jié)序列號
• 4字節(jié)確認(rèn)序列號
• 4位的首部長度
• 6位保留字段
• 6位標(biāo)志位（SYN,ACK,RST,FIN，URG,PSH）
• 2字節(jié)窗口大小
• 2字節(jié)校驗和
• 2字節(jié)緊急指針

這里需要說明的是“選項”這個字段是用來輔助解決可靠性問題的，正是因為這個字段的長度是不確定的，所以需要“首部長度”這個字段來表示TCP頭部的長度。

TCP三次握手過程

什么是三次握手

TCP是基于連接的，所以TCP在使用前必須先建立連接，TCP建立連接的過程是基于三次握手的。

• 首先服務(wù)端的應(yīng)用程序監(jiān)聽某個端口，也就是建立一個listened狀態(tài)的Socket，服務(wù)端處于listen狀態(tài)。
• 當(dāng)客戶端創(chuàng)建一個Socket，并調(diào)用connect函數(shù)連接服務(wù)端的時候，會向服務(wù)端發(fā)送一個SYN狀態(tài)為1的tcp報文，并攜帶自己的隨機(jī)序列號。客戶端處于syn_send狀態(tài)。
• 服務(wù)端接收到SYN報文后，會創(chuàng)建一個連接放入當(dāng)前Socket的半連接隊列，然后回復(fù)ACK+SYN報文并攜帶自己的隨機(jī)序列號和確認(rèn)序列號(客戶端序列號+1)。服務(wù)端處于syn_recv狀態(tài)。
• 客戶端接受到服務(wù)端的ack后，經(jīng)過一定處理，會給服務(wù)端回復(fù)一個ack報文，并攜帶確認(rèn)序列號(服務(wù)端序列號+1)。此時客戶端處于establisten狀態(tài)。
• 服務(wù)端收到ack報文后，服務(wù)端會把半連接隊列中的連接放入全連接隊列。然后處于establisten狀態(tài)。

至此，tcp連接建立完成，注意第三次握手是可以傳輸數(shù)據(jù)的。在這之前不能傳輸數(shù)據(jù)。

為什么是三次握手

一般大家都會認(rèn)為三次握手是為了保證客戶端和服務(wù)端雙方都能確認(rèn)自身和接收端建立單向連接和保證自身能夠發(fā)送和接受成功數(shù)據(jù)。

這樣答本身也沒有錯，但是太粗化了。

既然握手是為保證連接的建立，那就要先知道什么是TCP連接。

TCP連接是保證可靠性和流量控制的狀態(tài)信息的總和，包括socket，序列號，滑動窗口。

在這里這個序列號至關(guān)重要，是保證消息無重復(fù)，無丟失，有序的關(guān)鍵，因此這里其實就是為了保證序列號的同步。

客戶端給服務(wù)端發(fā)送一個初始序列號，服務(wù)端回復(fù)syn+ack,就是告訴客戶端序列號已經(jīng)收到了并且把服務(wù)端的初始序列號發(fā)送給客戶端，客戶端收到后也要回復(fù)給服務(wù)端表示序列號已經(jīng)收到，這樣就能保證雙方都能確保序列號同步。

但是這還不是最重要的原因，最重要的原因是防止歷史連接初始化再次連接。比如有這樣一種情況，客戶端發(fā)送syn包給服務(wù)端，但是網(wǎng)絡(luò)阻塞了，服務(wù)端沒有收到，所以服務(wù)端也不會回復(fù)，客戶端收不到回復(fù)就會重新發(fā)送syn包，但是就在這時候服務(wù)端接收到了第一個syn包，并且回復(fù)客戶端，這個時候客戶端會進(jìn)行比對校驗這是不是自己最新發(fā)送的syn回復(fù)包，如果不是的話就會給服務(wù)端發(fā)送rst包，表示要求服務(wù)端中斷這個連接。這也是三次握手的意義所在。

如果說沒有第三次握手，那么在發(fā)生上面的這個情況后，服務(wù)端就會為每個syn請求創(chuàng)建連接，連接是需要占用內(nèi)存的，就會耗費很多的資源。造成資源浪費，所以三次握手很有必要。

那么四次握手是否可以呢？

四次握手的話也是可以的，四次握手其實就是客戶端發(fā)送syn包給服務(wù)端，服務(wù)端回復(fù)ack包，服務(wù)端發(fā)送syn包給客戶端，客戶端回復(fù)ack包，三次握手中的第二次握手回復(fù)的是syn+ack包，所有相當(dāng)于合并了四次握手中的中間兩次，所以三次握手最好。

四次揮手的過程

TCP是雙向連接，所以兩個方向上的連接都要斷開。

1. 斷開前客戶端和服務(wù)端都處于ESTABLISTENED狀態(tài)。
2. 客戶端調(diào)用close方法盡心斷開連接操作，客戶端會發(fā)送fin包給服務(wù)端。客戶端處于fin_wait1狀態(tài)
3. 服務(wù)端接收到fin包后，會回復(fù)一個ack。此時服務(wù)端處于closed_wait狀態(tài)。
4. 客戶端收到服務(wù)端的ack后，表示已經(jīng)斷開了自己到服務(wù)端的連接，但是服務(wù)端到客戶端的連接還沒有斷開，客戶端需要等待服務(wù)端主動請求斷開。此時客戶端處于fin_wait2狀態(tài)。
5. 服務(wù)端之所以不會立刻給客戶端發(fā)送fin包是因為服務(wù)端可能還存在要發(fā)送的數(shù)據(jù)，所以服務(wù)端需要把要處理的數(shù)據(jù)處理完在發(fā)送fin包給客戶端，此時數(shù)據(jù)已經(jīng)處理完，服務(wù)端主動給客戶端發(fā)送fin包，此時服務(wù)端處于last_ack狀態(tài)。
6. 客戶端收到fin包后，會回復(fù)ack給服務(wù)端，此時客戶端處于time_wait狀態(tài)。
7. 服務(wù)端收到ack后將狀態(tài)置為close.
8. 客戶端此時并不會直接進(jìn)入close狀態(tài)，而是會進(jìn)入time_wait狀態(tài)， 這個狀態(tài)會持續(xù)2MSL時間。

在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖澜缋铮袃蓚€值是用來表示數(shù)據(jù)包失效的：

• MSL是報文在網(wǎng)絡(luò)中的最大存活時間，超過這個時間就會被丟棄。
• TTL：在ip層的頭部中有一個TTL字段保存所經(jīng)過的路由數(shù)，沒經(jīng)過一個路由數(shù)就會減1，當(dāng)為0的時候，數(shù)據(jù)就會被丟棄。

所以一般情況下MSL會大于TTL減為0所消耗的時間。

這里為什么是2倍的MSL呢？

因為當(dāng)客戶端接收到服務(wù)端的fin包后，會向服務(wù)端回復(fù)ack，但是客戶端不知道這個ack是否發(fā)送成功了，所以客戶端需要確認(rèn)服務(wù)端接受成功后才能置為close狀態(tài)，怎么確認(rèn)呢，因為失敗重傳機(jī)制的存在，如果因為網(wǎng)絡(luò)阻塞服務(wù)端沒有收到ack，服務(wù)端會再次發(fā)送一次fin,一次ack包和再一次fin包就是2倍的MSL。MSL的計時是從收到fin包并且發(fā)送ack包開始的。

除了上面說的保證客戶端的ack發(fā)送到服務(wù)端，并被正確接收，從而保證被關(guān)閉連接的一方可以正確關(guān)閉。

還能保證那些阻塞在網(wǎng)絡(luò)中舊的連接，在端口又被復(fù)用的情況下，被接收到，這樣就會發(fā)生數(shù)據(jù)錯亂，而time_wait可以保證全部的網(wǎng)絡(luò)中的連接被丟棄。

MSL默認(rèn)是30秒。需要注意的是time_wait 的狀態(tài)多了以后會占用內(nèi)存資源和端口資源，所以不宜太多。

為什么要進(jìn)行四次揮手？

tcp是雙向連接，客戶端發(fā)送fin包給服務(wù)端，服務(wù)端回復(fù)ack，只是客戶端告訴服務(wù)端不再向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)。

還需要服務(wù)端告訴客戶端，服務(wù)端不再向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)了，也就是服務(wù)端也要想客戶端發(fā)送fin包，客戶端也要給服務(wù)端回復(fù)ack包，這時候服務(wù)端和客戶端才能進(jìn)入close狀態(tài)。

服務(wù)端在收到客戶端發(fā)送的fin包并回復(fù)ack包后，服務(wù)端并不能馬上向發(fā)送端發(fā)送fin包，因為此時可能還有連接在處理數(shù)據(jù)，必須等到數(shù)據(jù)處理完后才能向客戶端發(fā)送fin包。

正因為這個原因，不能像三次握手那樣把中間兩次合并。