TCP/IP|【TCP/IP】TCP的三次握手和四次挥手 TCP

传输控制协议（TCP）是一种面向连接的协议，网络程序使用这个协议的时候，网络可以保证客户端和服务端的连接是可靠的，安全的。
如果 A机向 B机发送“hello”，在物理网线上传输的数据不仅仅是“hello”这5个字符，其实除了hello（被称为有效载荷）之外，还必须有用于TCP/IP协议进行处理所需要的其他很多内容。这其中与socket 编程相关的最主要有4 个东西：A机 IP地址（源IP）、B的 IP地址（目标IP）、A机端口号（源端口）、B机端口号（目标端口）。目标IP用来使数据包能到达指定的目标机，源IP使得目标机能获知源机的IP地址，从而能回送数据包。目标端口用于表示目标机上应当接收和处理数据包内容的程序是谁（目标机上不同的网络应用程序占用不同的端口号，例如：http服务器占用端口80，ftp服务器占21，POP3服务器占110，SMTP服务器占25，TELNET服务器占23）。源端口用于标识源机上发送数据的应用程序是谁，这使得目标机能够将回送数据送给该应用程序，而不是别的应用程序。
源机会在将数据包发送到网线上之前，使用上述4个内容对有效载荷进行封包操作，目标机会在收到数据包之后，进行解包操作，从而得到有效载荷。封包的过程简要描述如下：在有效载荷之前加上TCP包头（最重要的就是目标端口和源端口），然后再在前面加上IP包头（最重要的就是目标IP和源IP）。解包过程就是封包过程的逆操作。
TCP数据被封装在一个IP数据报中。

如第一个图所示：每个TCP数据段都包含源端口和目标端口的端口号（在TCP头部），用于寻找发端和收端应用进程。这两个值加上IP头部中的源IP地址和目标IP地址唯一确定一个TCP连接。有时，一个IP地址和一个端口号也称为一个插口（socket），插口对（包含源IP地址，源端口号、目标机IP地址和目标端口号的四元组）可唯一确定互联网络中每个TCP连接的双方。
第二个图：序列号用来标识从TCP发端向TCP收端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的第一个数据字节。确认号指定的是下一个期待的字节，而不是已经正确接收到的最后一个字节。

TCP连接建立过程——三次握手

第一次握手：客户端发送位码为 SYN = 1（SYN 标志位置位），随机产生初始序列号 Seq = J 的数据包到服务器。服务器由 SYN = 1（置位）知道，客户端要求建立联机。
第二次握手：服务器收到请求后要确认联机信息，向客户端发送确认号Ack = （客户端的Seq +1，J+1），SYN = 1，ACK = 1（SYN，ACK 标志位置位），随机产生的序列号 Seq = K 的数据包。
第三次握手：客户端收到后检查 Ack 是否正确，即第一次发送的 Seq +1（J+1），以及位码ACK是否为1。若正确，客户端会再发送 Ack = （服务器端的Seq+1，K+1），ACK = 1，以及序号Seq为服务器确认号J 的确认包。服务器收到后确认之前发送的 Seq（K+1）值与 ACK= 1 （ACK置位）则连接建立成功。

经过了这三步之后，客户端与服务器端就成功建立起一个 TCP连接。这三个步骤统称为三次握手。

（上面Seq表示序列号，Ack表示确认号，SYN和ACK以及FIN等都是标志位。ACK 被设置为 1表示确认号字段是有效的，如果 ACK为 0，则该段不包含确认信息。SYN 被用于建立连接过程，在连接请求中，SYN = 1 和 ACK = 0 表示该段没有捎带确认字段。连接应答会捎带一个确认，所以应答时会有 SYN= 1 和 ACK= 1。另外发送ACK无需任何代价，所以我们会看到一旦一个连接建立起来，ACK标志总是被置为1）

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从上图可以看出，当客户端调用connect 时，触发了连接请求，向服务器发送了 SYN J包，这时 connect 进入阻塞状态；服务器监听到连接请求，即收到 SYN J包，调用 accept函数接收请求向客户端发送 SYN K，ACK J+1，这时 accept 进入阻塞状态，客户端收到服务器的 SYN K，ACK J+1之后，这时 connect 返回，并对 SYN K 进行确认，服务器收到 ACK K+1时，accept返回，至此三次握手完毕，连接建立。可以得知：客户端的 connect在三次握手的第二次返回，而服务器端的 accept在三次握手的第三次返回。

【TCP/IP|【TCP/IP】TCP的三次握手和四次挥手】为什么是三次握手：
有讲到“三次握手”的目的是“为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端，因而产生错误”。
这样说明“已失效的连接请求报文段”的产生在这样一种情况下：client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某个网络结点长时间的滞留了，以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。本来这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。于是就向client发出确认报文段，同意建立连接。假设不采用“三次握手”，那么只要server发出确认，新的连接就建立了。由于现在client并没有发出建立连接的请求，因此不会理睬server的确认，也不会向server发送数据。但server却以为新的运输连接已经建立，并一直等待client发来数据。这样，server的很多资源就白白浪费掉了。采用“三次握手”的办法可以防止上述现象发生。例如刚才那种情况，client不会向server的确认发出确认。server由于收不到确认，就知道client并没有要求建立连接。”

下面用抓包工具 Wireshark 实际分析下三次握手的过程，这里是登陆一个网址，然后Wireshark 过滤http 找到与浏览器打开该网站相关的数据包。
连接的是 HTTP 服务器，可以看到其端口号正是80，客户端的端口号则是随机的。红色框框标记的则是三次握手过程，下面具体来看

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第一次握手数据包：

客户端发送一个TCP，标志位SYN置位，序列号为4225926656（默认是相对序列号，可以在Wireshark中protocol preference 设置Absolute Number，显示真正的序列号）。表示客户端请求建立连接。

第二次握手数据包：

看源端口和目的端口。服务器发回确认包，标志位SYN和ACK置位，将确认序号Ack设置为客户的ISN（初始序号）+1，为4225926657，同时发送序列号为3022381253。

第三次握手数据包

客户端再次发送确认包，其中ACK置位，确认序号Ack设置为服务器发过来的序号Seq+1，为3022381254，并发送序号=服务器发过来的确认号。
对于建连接的三次握手，主要是初始化Seq的值。通信的双方要互相通知对方自己的初始化的Seq（ISN），这个号（上面的K，J）作为以后的数据通信的序号，以保证应用层接收到的数据不会因为网络上的传输问题而乱序，TCP会用这个序号来拼接数据。

TCP连接终止过程——四次挥手
由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭，也就是发送方和接收方都需要Fin和Ack。这个原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来种植这个方向的连接，收到一个FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。
这里我们假定客户端主动关闭（实际上谁先执行主动关闭没本质区别，通话结束了，谁先挂断没啥区别）

客户端发送一个FIN Seq = M（FIN置位，序号为M）包，用来关闭客户端到服务器端的数据传送。
服务器端收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号Ack 为收到的序号M+1。
服务器端关闭与客户端的连接，发送一个FIN Seq = N 给客户端。
客户端发回ACK 报文确认，确认序号Ack 为收到的序号N+1。

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对于四次挥手，其实仔细看是两次，因为TCP是全双工的，必须双方都关闭才可以，单方会有两次，共有四次。终止的时候，有一方是被动的，所以看上去就成了四次挥手。
前面有说道，一旦连接建立起来，ACK标志位总是被置为1。所以我们在下图可以看到TCP建立连接之后，ACK总是被置为1的。

关闭连接过程主要看FIN标志位是否置位，ACK在连接建立成功之后都是置为1的。
上面Wireshark抓包是服务器端先执行主动关闭。
第一次挥手：服务器端发起主动关闭，FIN置位，Seq = 3022381791；
第二次挥手：客户端收到FIN后，发回ACK，Ack = Seq + 1 = 3022381792；至此服务器端的连接关闭了，接下来还需要关闭客户端的。
第三次挥手：客户端发送FIN，Seq = 4225929031；
第四次挥手：服务器端收到FIN后，发回ACK，Ack = Seq + 1 = 4225929032.这样客户端的连接也关闭了。至此全双工的TCP连接关闭。

另外通过下面的截图可以发现：数据传输中的 Sequence Number 的增加是和传输字节数相关的。