TCP 连接：三次握手与四次挥手

TCP 协议，全称为“传输控制协议”。

1. TCP 协议段格式

给出几个定义 ：

• 16位源端口号 ：用于标识发送端的应用程序。

• 16位目的端口号 ：用于标识接收端的目标应用程序。

• 32位序号 ：用于标识发送的每一个字节流中的第一个字节位置；确保接收端能够按照正确的顺序重组数据，即使数据包在传输中乱序到达。

• 32位确认序号 ：用于告知发送端，“我已经成功接收 这个序号之前的所有数据 ，现在请从这个序号开始给我发新的数据” 。

• 4位首部长度 ：指示 TCP 头部的长度，以 4字节 为单位；首部长度 的范围是 5~15，标识 TCP 头部的长度为 20~60 字节。

• 标志位 ：用于控制 TCP 连接的状态。SYN、ACK、FIN、RST、PSH、URG

2. 三次握手

2.1 传统的三次握手过程

三次握手过程，确保了两个主机都可以互相发送和接收数据。

服务端状态变化：

• CLOSED —> LISTEN ：服务端调用 listen() 后进入 LISTEN 状态，等待客户端连接。
• LISTEN —> SYN_RCVD ：监听到连接请求（即收到 SYN 包），将该连接放入内核等待队列，并向客户端发送 SYN-ACK 包。
• SYN_RCVD —> ESTABLISHED ：服务端收到客户端的 ACK 包后进入 ESTABLISHED 状态，可以读写数据。

客户端状态变化：

• CLOSED —> SYN_SENT ：客户端调用 connect()，发送 SYN 报文。
• SYN_SENT —> ESTABLISHED ：调用 connect() 成功，收到来自服务器的 SYN-ACK 包后，进入 ESTABLISHED 状态。

2.2 三次握手过程触发 RST

在 TCP 三次握手过程中，被请求建立连接的那一端尚未完成握手（未收到最终的 ACK 包），就意外收到了数据包，则触发 RST（连接重置） 。

RST 包的作用：

• 立即中断连接，告知对方当前连接不可用。
• 释放相关资源，避免内存泄露。

客户端收到 RST 包后，需要重新进行三次握手，建立连接。

3. 四次挥手

3.1 四次挥手过程

客户端状态变化：

• ESTABLISTED —> FIN_WAIT_1 ：客户端调用 close() ，向服务端发送 FIN 报文，并进入 FIN_WAIT_1 状态。

​ 通知服务器，客户端没有数据要发送了，但仍然可以接收数据。

• FIN_WAIT_1 —> FIN_WAIT_2 ：客户端收到来自服务器的 ACK 报文，进入 FIN_WAIT_2 状态。

• FIN_WAIT_2 —> TIME_WAIT ：客户端收到来自服务器的 FIN 报文，进入 TIME_WAIT 状态，发出最后一个 ACK 包。

服务器状态变化：

• ESTABLISHED —> CLOSE_WAIT ：客户端主动关闭连接，服务器收到 FIN 报文后回应 ACK ，并进入 CLOSE_WAIT 状态。

• CLOSE_WAIT —> LAST_ACK ：进入 CLOSE_WAIT 状态后，服务器准备关闭连接，处理所有剩余数据；

  服务器真正调用 close() 关闭连接，向客户端发送 FIN 报文并进入 LAST_ACK 状态，等待最后一个 ACK（确认）。

• LAST_ACK —> CLOSED ：服务器收到了客户端对 FIN 的 ACK，关闭连接。

3.2 CLOSE_WAIT 状态

创建一个简易的 TCP 服务器和 TCP 客户端，并建立连接。

直接关闭客户端。

此时服务端进入 CLOSE_WAIT 状态，四次挥手没有完成。

如果服务器上大量出现 CLOSE_WAIT 状态，意味着服务器没有正确地关闭 socket ，导致四次挥手没有正常完成。

需要加上对应的 close ，解决此问题。

3.3 TIME_WAIT 状态

与 3.2 相同，创建一个简易的 TCP 服务器和客户端，并建立连接。

直接关闭服务器，再重新运行。

服务器进入 TIME_WAIT 状态。

TCP 协议规定，主动关闭连接的一方要处于 TIME_WAIT 状态，等待两个 MSL（maximum segment lifetime）的时间后，才能回到 CLOSED 状态。

• MSL 是 TCP 报文的最大生存时间。

• 保证在传输方向上的尚未被接收、或迟到的报文段都已消失；否则服务器立即重启，会收到来自上个进程的迟到数据。

• 保证最后一个 ACK 报文可靠到达；如果最后一个 ACK 丢失，服务器会重发一个 FIN 数据报（客户端进程虽然不在，但 TCP 连接还在，可以重发 ACK）。