TCP连接的三次握手与四次挥手详解

TCP（传输控制协议）是实现可靠数据传输的重要协议之一。TCP协议的设计之初就考虑到了数据在传输过程中的可靠性和完整性，而三次握手和四次挥手就是实现这一目的的基础机制。

TCP的基本概念

TCP是一种面向连接的协议，这意味着在数据传输之前，通信的双方必须首先建立一条连接。TCP协议还保证了数据的顺序传输和完整性控制，这些特性使得TCP被广泛应用于需要高可靠性的场合，如网页浏览、文件传输和电子邮件等。

三次握手

三次握手的流程

三次握手是指在建立TCP连接时，通信的双方需要进行三次数据交换。其具体流程如下：

第一步 - 客户端发送SYN：

• 客户端发送一个SYN（同步序列编号）包给服务器，用于请求建立连接。此时，客户端进入SYN_SEND状态。该包中的序列号（seq）为x。

第二步 - 服务器响应SYN-ACK：

• 服务器收到SYN包后，发送一个SYN-ACK包来确认连接请求，同时也向客户端请求建立连接。此时，服务器进入SYN_RECV状态。该包的序列号为y，确认号为x + 1。

第三步 - 客户端发送ACK：

• 客户端收到服务器的SYN-ACK包后，发送一个ACK包进行确认，进入ESTABLISHED状态。此时，确认号为y + 1。

三次握手的目的

三次握手的主要目的包括：

• 确认双方可通信：通过交换SYN和ACK包保证双方能力和状态均善，有助于后续的数据传输。
• 建立初始序列号：双方在建立连接时确定初始序列号，这对于后续的数据传输至关重要，确保数据的顺序和完整性。
• 防止重复连接请求：在连接的建立过程中，当服务器的SYN-ACK包发出后，如果因某种原因未能及时收到ACK，可能会导致重复的连接请求，这一过程保证在网络故障后的有效重传。

四次挥手

四次挥手的流程

四次挥手是指在关闭TCP连接时，通信的双方需要进行四次数据交换。其具体步骤如下：

第一步 - 客户端发送FIN：

• 当客户端希望终止连接时，发送一个FIN（结束）包，告诉服务器它已经没有数据要发送了。此时，客户端进入FIN_WAIT_1状态。

第二步 - 服务器响应ACK：

• 服务器收到FIN包后，发送一个ACK包确认。此时，服务器进入CLOSE_WAIT状态，客户端进入FIN_WAIT_2状态。确认号为u + 1。

第三步 - 服务器发送FIN：

• 服务器完成数据传输后，发送一个FIN包给客户端，表示服务器也没有数据要发送了。此时，服务器进入LAST_ACK状态。

第四步 - 客户端响应ACK：

• 客户端收到FIN包后，发送一个ACK包确认，进入TIME_WAIT状态。将确认号设置为w + 1。经过一段时间后，客户端最终关闭连接，进入CLOSED状态。

四次挥手的目的

四次挥手的主要目的有：

• 确保数据的完整性：在关闭连接之前，确保双方已完成所有数据的传输，防止数据丢失。
• 有序的关闭连接：通过四次挥手的机制，保证双方都能有序地终止连接。
• 资源的释放：在双方确认完数据传输后，才能释放各自的资源，以免造成资源的浪费。

TCP的状态转换

连接建立阶段状态

• CLOSED：没有连接，初始化状态。
• SYN_SENT：客户端已经发送SYN并等待ACK。
• SYN_RECEIVED：服务器已接收到SYN并发送ACK。

连接终止阶段状态

• FIN_WAIT_1：客户端发送FIN并等待ACK。
• FIN_WAIT_2：客户端收到ACK，等待服务器的FIN。
• CLOSE_WAIT：服务器收到FIN并发送ACK，等待应用程序关闭连接。
• LAST_ACK：服务器发送FIN等待最后的ACK。
• TIME_WAIT：客户端等待足够的时间，以确保数据和确认被正确传输，避免数据冲突。

三次握手与四次挥手的区别

TCP的优势与局限

优点：

• 可靠性：TCP通过数据包的确认、重发机制，确保数据的可靠性。
• 有序传输：TCP会根据序列号管理数据的发送顺序，避免数据乱序的问题。
• 流量控制：TCP使用滑动窗口的机制进行流量控制，有效管理发送者的传输速率。
• 拥塞控制：能够动态调整数据传输速率，根据网络状态控制拥塞。

局限：

• 延迟增加：在高延迟的网络中，TCP的握手和挥手机制会增加连接建立和终止的时间。
• 资源消耗：由于要求维护连接状态，TCP对系统资源的占用较大。
• 不适用于实时传输：如视频流、语音通信等对延迟要求极高的应用场合，TCP可能无法满足需求。