tcp/ip三次握手和四次挥手原理详细解析

前言

TCP/IP三次握手和四次挥手是可靠连接的重要保证，整个过程控制信息发生那些变化，将在本文做详细的介绍。

首先，三次握手是建立连接的关键步骤，而四次挥手则是关闭连接的过程。需要分别解释每个阶段客户端和服务器端的状态变化，以及他们发送的报文段中的各个标志位和序列号的变化。

先从三次握手开始。第一次握手是客户端发送SYN报文，SYN标志位设为1，序列号是一个随机数，比如x。这时候客户端进入SYN_SENT状态。第二次握手，服务器收到SYN后，回应SYN-ACK，也就是SYN和ACK标志位都设为1，确认号是x+1，同时服务器自己生成一个序列号y，进入SYN_RCVD状态。第三次握手，客户端发送ACK，确认号是y+1，序列号是x+1，这时候双方都进入ESTABLISHED状态，连接建立成功。需要确认每个步骤的报文内容，特别是序列号和确认号的生成是否正确，以及标志位的设置是否正确。

然后是四次挥手。这里可能比较复杂，因为连接关闭可以由任一方发起。假设客户端先发起关闭，第一次挥手是客户端发送FIN，FIN标志位设为1，序列号假设是u，进入FIN_WAIT_1状态。服务器收到后回应ACK，确认号是u+1，序列号是v，进入CLOSE_WAIT状态，客户端收到后进入FIN_WAIT_2。接着服务器发送自己的FIN，FIN标志位和ACK都设为1，确认号还是u+1，序列号是v+可能的数据长度，进入LAST_ACK状态。客户端收到后回应ACK，确认号是v+1，进入TIME_WAIT状态，等待2MSL后关闭。服务器收到ACK后关闭连接。这里要注意的是，四次挥手中间可能服务器还有数据要发送，所以ACK和FIN可能分开发送，导致需要四次交互。需要确认每个步骤的报文内容是否正确，特别是序列号和确认号的计算是否正确，以及状态转换是否正确。

另外，详细解析每次发送的报文内容，所以每个步骤的报文中的SYN、ACK、FIN等标志位需要明确说明，序列号和确认号的具体数值变化也要解释清楚。例如，在三次握手中，第二次握手服务器的ACK是x+1，而第三次握手的ACK是y+1，这里需要确保逻辑正确，避免混淆。同时，四次挥手中，每个FIN和ACK的确认号是否正确，比如服务器在发送FIN时的序列号是否考虑了之前传输的数据长度，导致序列号可能不是简单的v+1，而是v加上数据长度后的值。

还需要注意一些细节，比如为什么三次握手是三次而不是两次，主要是为了防止已失效的连接请求报文突然传到服务器导致错误。而四次挥手为什么需要四次，因为TCP是全双工的，每个方向必须单独关闭。此外，TIME_WAIT状态的作用是确保最后一个ACK能够到达服务器，防止出现连接重置的问题。

在解释过程中，可能需要用例子来具体说明，比如假设初始序列号是x=1000，y=5000，这样确认号的计算会更直观。同时，报文中的其他字段如窗口大小、选项字段（如MSS）也需要提及，关注标志位和序列号确认号的变化。

最后，检查是否有遗漏的步骤或者错误的状态转换，比如在四次挥手中，服务器在发送FIN之前可能处于CLOSE_WAIT状态，发送FIN之后进入LAST_ACK，而客户端在发送最后一个ACK后进入TIME_WAIT，等待足够时间再关闭。确保这些状态转换都被正确描述。

总结来说，需要分步骤详细解释三次握手和四次挥手的每个阶段，包括发送的报文内容、标志位设置、序列号和确认号的变化，以及客户端和服务器端的状态变化。同时，结合例子来具体说明，确保读者能够清晰理解整个流程。

TCP/IP 三次握手与四次挥手详细解析

一、三次握手（连接建立）

目的：确保双方都能正常发送和接收数据，建立双向通信通道。

1. 第一次握手（SYN）

• 发送方：客户端（Client）
• 报文内容：
  • SYN=1：表示请求建立连接。
  • Seq=随机值x（如 Seq=1000）：初始序列号，用于后续数据顺序标识。
  • 其他字段：窗口大小、MSS（最大报文段长度）等选项。
• 客户端状态：SYN_SENT

作用：客户端向服务器发起连接请求，并告知自己的初始序列号。

2. 第二次握手（SYN-ACK）

• 发送方：服务器（Server）
• 报文内容：
  • SYN=1：表示同意建立连接。
  • ACK=1：确认客户端的请求。
  • Seq=随机值y（如 Seq=5000）：服务器的初始序列号。
  • Ack=x+1（如 Ack=1001）：确认客户端的 Seq，表示期望收到下一个字节。
• 服务器状态：SYN_RCVD

作用：服务器确认客户端的连接请求，并告知自己的初始序列号。

3. 第三次握手（ACK）

• 发送方：客户端
• 报文内容：
  • ACK=1：确认服务器的响应。
  • Seq=x+1（如 Seq=1001）：客户端下一个字节的起始位置。
  • Ack=y+1（如 Ack=5001）：确认服务器的 Seq。
• 客户端状态：ESTABLISHED
• 服务器状态：ESTABLISHED

作用：客户端确认服务器的响应，双方完成连接建立。

关键点：三次握手防止了历史重复连接的初始化（例如旧SYN报文干扰）。

二、四次挥手（连接终止）

目的：双方确认关闭连接，释放资源。

1. 第一次挥手（FIN）

• 发送方：客户端（主动关闭方）
• 报文内容：
  • FIN=1：表示请求终止连接。
  • Seq=当前序列号u（如 Seq=2000）。
• 客户端状态：FIN_WAIT_1

作用：客户端通知服务器不再发送数据，但可以接收数据。

2. 第二次挥手（ACK）

• 发送方：服务器
• 报文内容：
  • ACK=1：确认客户端的关闭请求。
  • Ack=u+1（如 Ack=2001）：期望收到客户端下一个字节。
  • Seq=当前序列号v（如 Seq=8000）。
• 服务器状态：CLOSE_WAIT
• 客户端状态：FIN_WAIT_2

作用：服务器确认客户端的关闭请求，但可能仍有数据未发送完毕。

3. 第三次挥手（FIN）

• 发送方：服务器
• 报文内容：
  • FIN=1：表示服务器也请求终止连接。
  • ACK=1：确认之前的通信。
  • Seq=当前序列号w（如 Seq=8000 + 已发送数据长度）。
  • Ack=u+1（如 Ack=2001）。
• 服务器状态：LAST_ACK

作用：服务器通知客户端已无数据发送，请求关闭连接。

4. 第四次挥手（ACK）

• 发送方：客户端
• 报文内容：
  • ACK=1：确认服务器的关闭请求。
  • Seq=u+1（如 Seq=2001）。
  • Ack=w+1（如 Ack=8001）。
• 客户端状态：TIME_WAIT（等待2MSL后关闭）
• 服务器状态：CLOSED

作用：客户端确认服务器的关闭请求，双方释放资源。

关键点：TIME_WAIT 状态确保最后一个ACK能被服务器接收，防止报文残留。

三、总结

• 三次握手：
  SYN → SYN-ACK → ACK
  确保双方初始序列号同步，建立双向通道。

• 四次挥手：
  FIN → ACK → FIN → ACK
  允许双方独立关闭数据流，确保数据完整性。

附：状态机示意图

三次握手：
Client: SYN_SENT → ESTABLISHED  
Server: SYN_RCVD → ESTABLISHED  

四次挥手：
Client: FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT → CLOSED  
Server: CLOSE_WAIT → LAST_ACK → CLOSED

通过上述步骤，TCP/IP协议实现了可靠的双向通信连接管理。