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TCP 三次握手与四次挥手

article 2025/3/1 20:31:59

TCP 三次握手与四次挥手知识总结

一、TCP 连接与断开的核心机制

1. 三次握手（建立连接）

目的：
建立客户端与服务端之间的双向传输通道，确保双方都能确认对方的接收和发送能力，为后续的数据传输奠定可靠基础。

流程：

客户端发送 SYN
客户端发送 SYN 报文，请求建立连接，并包含初始序列号（SEQ），此时客户端进入 SYN_SENT 状态。
服务端回应 SYN-ACK
服务端收到 SYN 后，回应 SYN-ACK，其中 ACK 为客户端 SYN 的确认，ACK 号为客户端 SEQ+1。服务端也发送自己的 SYN，包含自己的初始序列号，此时服务端进入 SYN_RCVD 状态。
客户端发送 ACK
客户端收到 SYN-ACK 后，发送 ACK 报文，确认号为服务端的 SEQ+1，双方进入 ESTABLISHED 状态，连接建立成功。

关键状态：

LISTEN（监听状态）： 服务端调用 listen() 后进入该状态，等待客户端连接。
ESTABLISHED（已建立连接）： 连接建立后，客户端和服务端可以进行数据传输。

2. 四次挥手（断开连接）

目的：
安全拆除双向传输通道，确保双方都能完成数据的发送和接收，避免数据丢失。

流程：
（假设主动关闭方为 A，被动方为 B）

A 发送 FIN
A 发送 FIN，表示没有数据要发送，进入 FIN_WAIT_1 状态。
B 回复 ACK
B 回复 ACK，确认收到 A 的关闭请求，进入 CLOSE_WAIT 状态。
B 发送 FIN
B 完成数据发送后，发送 FIN，请求关闭 B 到 A 的通道，进入 LAST_ACK 状态。
A 回复 ACK
A 回复 ACK，确认 B 的关闭请求，进入 TIME_WAIT 状态，等待一段时间后才能真正关闭连接。

关键状态：

TIME_WAIT： 主动关闭方等待残留报文消失，持续 2MSL 时间（通常 1-2 分钟）。
CLOSE_WAIT： 被动关闭方等待应用层处理剩余数据。如果 CLOSE_WAIT 状态持续过长，可能是程序未正确关闭连接。

二、Socket 状态与命令工具

1. Socket 状态

LISTEN： 服务端调用 listen() 后进入监听状态，等待客户端的连接请求。
ESTABLISHED： 连接已建立，可以进行数据传输。
TIME_WAIT： 主动关闭方等待残留报文消失的状态。
CLOSE_WAIT： 被动关闭方等待应用层处理剩余数据。

2. 查看 Socket 状态

命令：
netstat -na | grep <端口号>
该命令列出特定端口的连接状态。例如，查看端口 8080 的连接状态：
netstat -na | grep 8080

关键列说明：

本地地址（Local Address）： 本地主机的 IP 和端口号。
外网地址（Foreign Address）： 远程主机的 IP 和端口号。
状态（State）： 连接的当前状态，如 LISTEN、ESTABLISHED 等。

三、编程中的关键细节

1. 端口分配

服务端端口： 需要固定，使用 bind() 指定端口（如 HTTP 协议使用 80 端口）。
客户端端口： 由系统随机分配，通常从可用端口范围中选择未被占用的端口。

2. 高并发处理

backlog（已连接队列大小）：
指定 listen() 的第二个参数，影响全连接队列的大小，默认值通常为 128，但可以根据实际需要增大。

示例：

listen(sockfd, 1024);  // 设置队列长度为 1024

3. TIME_WAIT 问题与解决

问题：
主动关闭方在 TIME_WAIT 状态期间无法重用端口，可能导致高并发场景中的端口资源浪费。

解决方案：
设置 SO_REUSEADDR 属性来允许端口复用：

int opt = 1;
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

四、常见问题与面试要点

1. 为什么挥手需要四次？

全双工协议： TCP 需要独立关闭每一方向的传输通道。
数据发送完成： 被动关闭方可能需要继续发送数据，所以不能立即关闭连接，必须等到完成数据发送后再发送 FIN。

2. SYN 泛洪攻击

攻击方式：
攻击者伪造大量源 IP 地址，发送大量 SYN 报文，消耗服务端资源。

防御方法：
启用 SYN Cookie 机制来防御该攻击。

3. TIME_WAIT 的意义

确保最后的 ACK 被送达： 防止被动关闭方没有收到最后的 ACK 而重发 FIN。
等待残留报文消失： 确保旧连接的报文不会干扰新连接。

4. 常见面试问题

SYN、ACK、FIN、SEQ 序列号的含义
半连接队列 vs 全连接队列
CLOSE_WAIT 过多的原因

五、实际应用示例

1. 服务端代码示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

#define PORT 8080
#define BACKLOG 1024

int main() {
    int sockfd, new_sockfd;
    struct sockaddr_in addr, client_addr;
    socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);
    int opt = 1;

    // 创建 socket
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 设置端口复用
    if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt)) == -1) {
        perror("setsockopt failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 绑定端口
    memset(&addr, 0, sizeof(addr));
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    addr.sin_port = htons(PORT);
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
        perror("bind failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 监听连接
    if (listen(sockfd, BACKLOG) == -1) {
        perror("listen failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Server listening on port %d...\n", PORT);

    // 接受客户端连接
    new_sockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_len);
    if (new_sockfd == -1) {
        perror("accept failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Client connected.\n");

    // 处理客户端请求
    close(new_sockfd);
    close(sockfd);

    return 0;
}

2. 客户端连接测试

使用 ab 工具测试并发连接：

ab -n 1000 -c 100 http://localhost:8080/

总结

理解三次握手和四次挥手是掌握 TCP 协议的基础，通过结合编程实践与网络状态分析工具（如 netstat），可以有效排查连接问题并优化高并发场景下的服务端性能。对常见网络攻击（如 SYN 泛洪攻击）和连接状态（如 TIME_WAIT、CLOSE_WAIT）的理解和处理是网络编程和系统运维中不可或缺的技能。

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