TCP协议中的三次握手与四次挥手详解

TCP协议概述

传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。在网络通信中，TCP确保数据能够准确无误地从发送端传输到接收端，广泛应用于对数据准确性要求较高的场景，如文件传输、电子邮件、网页浏览等。

TCP协议通过一系列机制来保证数据传输的可靠性，其中三次握手用于建立连接，四次挥手用于断开连接。深入理解这两个过程对于掌握TCP协议以及进行高效稳定的网络编程至关重要。

三次握手

什么是三次握手

三次握手（Three-way Handshake）是指在建立一个TCP连接时，需要客户端和服务器端总共发送三个包以确认连接的建立。这个过程确保了双方都能知道彼此的发送和接收能力正常，为后续的数据传输奠定基础。

三次握手的过程

1. 第一次握手（SYN）：客户端向服务器发送一个SYN（同步序列号，Synchronize Sequence Numbers）包，其中包含客户端初始序列号（Sequence Number，seq），假设为x。这个包表示客户端希望与服务器建立连接，并告知服务器自己的初始序列号。此时客户端进入SYN_SENT状态。
2. 第二次握手（SYN + ACK）：服务器接收到客户端的SYN包后，会返回一个SYN + ACK包。这个包中，SYN部分表示服务器同意建立连接，同时服务器也会发送自己的初始序列号，假设为y。ACK部分是对客户端SYN包的确认，确认号（Acknowledgment Number，ack）为客户端的序列号x加1，即ack = x + 1。此时服务器进入SYN_RCVD状态。
3. 第三次握手（ACK）：客户端接收到服务器的SYN + ACK包后，会向服务器发送一个ACK包。该ACK包的确认号为服务器的序列号y加1，即ack = y + 1，序列号为客户端第一次发送的序列号x加1，即seq = x + 1。服务器接收到这个ACK包后，连接正式建立，双方进入ESTABLISHED状态，可以开始进行数据传输。

为什么需要三次握手

1. 防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务器：设想一种情况，如果只进行两次握手。客户端发送了一个连接请求，由于网络延迟等原因，这个请求在网络中滞留了很长时间，以致于超过了客户端认为的合理时间，客户端就会重新发送连接请求。而此时，原来滞留的请求到达了服务器，服务器基于这个请求建立连接并开始等待数据。但客户端实际已经使用新的连接，不会再向这个旧连接发送数据，这就导致服务器端资源浪费。通过三次握手，客户端在收到服务器的确认后，会再次确认，避免了这种情况的发生。
2. 确保双方的接收和发送能力正常：三次握手过程中，每一次发送和接收都包含了对对方能力的确认。客户端通过发送SYN包表明自己有发起连接的能力，服务器通过返回SYN + ACK包表明自己能接收连接请求并发送确认，客户端再次发送ACK包表明自己能正确接收服务器的确认信息并能发送确认。这样双方都确认了彼此的接收和发送能力正常，为可靠的数据传输奠定基础。

三次握手的代码示例（Python + socket）

import socket


def server():
    server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    server_socket.bind(('127.0.0.1', 8888))
    server_socket.listen(1)
    print('Server is listening on 127.0.0.1:8888')
    while True:
        client_socket, addr = server_socket.accept()
        print(f'Connected by {addr}')
        data = client_socket.recv(1024)
        print(f'Received: {data.decode()}')
        client_socket.sendall(b'Hello, client!')
        client_socket.close()


def client():
    client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    client_socket.connect(('127.0.0.1', 8888))
    client_socket.sendall(b'Hello, server!')
    data = client_socket.recv(1024)
    print(f'Received: {data.decode()}')
    client_socket.close()


if __name__ == '__main__':
    from threading import Thread

    server_thread = Thread(target=server)
    client_thread = Thread(target=client)

    server_thread.start()
    client_thread.start()

    server_thread.join()
    client_thread.join()

在上述代码中，server函数模拟服务器端，client函数模拟客户端。服务器端通过bind绑定到指定地址和端口，并通过listen开始监听。客户端通过connect发起连接请求，这就类似于三次握手中客户端发送SYN包。服务器接收到连接请求后，通过accept接受连接，类似服务器返回SYN + ACK包。客户端发送数据和接收数据，服务器接收数据和发送数据，完成了类似三次握手后的通信过程。

四次挥手

什么是四次挥手

四次挥手（Four-way Handshake）是指在关闭一个TCP连接时，需要客户端和服务器端总共发送四个包以确认连接的断开。这一过程确保了双方都能确认数据传输已经完成，并且释放相关的资源。

四次挥手的过程

1. 第一次挥手（FIN）：主动关闭方（假设为客户端）发送一个FIN（结束标志，Finish）包，其中包含客户端当前的序列号seq = u。这个包表示客户端已经没有数据要发送给服务器了，请求关闭连接。此时客户端进入FIN_WAIT_1状态。
2. 第二次挥手（ACK）：服务器接收到客户端的FIN包后，会返回一个ACK包。该ACK包的确认号为客户端的序列号u加1，即ack = u + 1，序列号为服务器当前的序列号v。这个ACK包表示服务器已经收到客户端的关闭请求，但服务器可能还有数据要发送给客户端。此时服务器进入CLOSE_WAIT状态，而客户端进入FIN_WAIT_2状态。
3. 第三次挥手（FIN）：当服务器完成数据发送后，会向客户端发送一个FIN包，其中序列号为w，确认号仍然为u + 1。这个FIN包表示服务器也没有数据要发送给客户端了，请求关闭连接。此时服务器进入LAST_ACK状态。
4. 第四次挥手（ACK）：客户端接收到服务器的FIN包后，会返回一个ACK包。该ACK包的确认号为服务器的序列号w加1，即ack = w + 1，序列号为u + 1。服务器接收到这个ACK包后，连接正式关闭。客户端等待2MSL（Maximum Segment Lifetime，最长报文段寿命）时间后，也关闭连接。此时客户端进入TIME_WAIT状态，2MSL时间过后，客户端彻底关闭连接。

为什么需要四次挥手

在TCP连接中，数据的传输是双向的。当一方（如客户端）想要关闭连接时，首先发送FIN包表示自己不再发送数据，但对方（服务器）可能还在发送数据。所以服务器先返回ACK确认收到关闭请求，等自己数据发送完后再发送FIN包。这样就形成了四次挥手，确保双方都能安全地关闭连接，避免数据丢失。

为什么客户端在第四次挥手后要等待2MSL

1. 确保最后一个ACK包能被服务器正确接收：如果服务器没有收到客户端的ACK包，会重新发送FIN包。客户端等待2MSL时间，如果在此期间收到服务器重发的FIN包，就可以重新发送ACK包。2MSL时间足够让ACK包和可能重发的FIN包在网络中往返。
2. 防止旧的连接请求在网络中滞留：2MSL时间可以保证在这段时间内，网络中所有旧的数据包都已经消失。这样当客户端重新建立连接时，就不会受到旧连接数据包的干扰。

四次挥手的代码示例（Python + socket）

import socket


def server():
    server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    server_socket.bind(('127.0.0.1', 8888))
    server_socket.listen(1)
    print('Server is listening on 127.0.0.1:8888')
    client_socket, addr = server_socket.accept()
    print(f'Connected by {addr}')
    data = client_socket.recv(1024)
    print(f'Received: {data.decode()}')
    client_socket.sendall(b'Hello, client!')
    client_socket.close()


def client():
    client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    client_socket.connect(('127.0.0.1', 8888))
    client_socket.sendall(b'Hello, server!')
    data = client_socket.recv(1024)
    print(f'Received: {data.decode()}')
    client_socket.close()


if __name__ == '__main__':
    from threading import Thread

    server_thread = Thread(target=server)
    client_thread = Thread(target=client)

    server_thread.start()
    client_thread.start()

    server_thread.join()
    client_thread.join()

在这个简单示例中，虽然没有直观地体现四次挥手的过程，但当客户端和服务器调用close方法时，底层的TCP协议会执行四次挥手的操作。在实际应用中，可以通过设置socket的一些选项来更深入地观察和控制连接关闭的过程。例如，在Python中可以通过setsockopt方法设置SO_LINGER选项来控制关闭连接时的行为。

三次握手和四次挥手可能出现的问题及解决方法

三次握手可能出现的问题

1. SYN攻击：攻击者发送大量伪造的SYN包，目标服务器会为每个SYN包分配资源并返回SYN + ACK包，但由于源IP是伪造的，服务器收不到ACK包，导致这些半连接占用大量资源，最终使服务器无法正常处理合法的连接请求。
   • 解决方法：可以采用SYN Cookie技术。服务器在收到SYN包时，不立即分配资源，而是根据SYN包中的信息计算出一个Cookie值，将这个值作为ACK包中的初始序列号返回给客户端。客户端响应ACK包时，服务器通过验证这个Cookie值来确认连接的合法性，从而避免为伪造的连接分配资源。
2. 网络延迟导致握手超时：在三次握手过程中，如果网络延迟较高，可能导致某个包的传输时间过长，超过了对方的等待超时时间，从而使握手失败。
   • 解决方法：可以适当调整等待超时时间，根据网络环境和业务需求进行合理设置。同时，也可以采用重传机制，当发送方在一定时间内没有收到对方的响应时，重新发送相应的包。

四次挥手可能出现的问题

1. TIME_WAIT状态过长：客户端在四次挥手后进入TIME_WAIT状态并等待2MSL时间，这期间端口会被占用。如果短时间内有大量连接建立和关闭，可能导致可用端口耗尽。
   • 解决方法：可以根据实际情况适当缩短2MSL时间，但要注意可能带来的风险，如旧的数据包干扰新连接。也可以通过设置SO_REUSEADDR选项，允许在TIME_WAIT状态下重新使用端口。但使用这个选项时要谨慎，因为可能会导致数据丢失或错误。
2. FIN包丢失：在四次挥手过程中，如果FIN包丢失，可能导致连接无法正常关闭。例如服务器发送的FIN包丢失，客户端就不会进入TIME_WAIT状态，服务器也无法彻底关闭连接。
   • 解决方法：TCP协议本身有重传机制，发送方在一定时间内没有收到确认包时会重发FIN包。同时，接收方也可以通过心跳机制来检测连接状态，及时发现异常并进行处理。

三次握手和四次挥手在不同场景下的应用

高并发场景下的三次握手优化

在高并发场景中，大量的连接请求可能导致服务器性能瓶颈。为了优化三次握手过程，可以采用以下方法：

1. 使用线程池或进程池：服务器可以使用线程池或进程池来处理连接请求，避免为每个连接创建新的线程或进程带来的资源开销。当有新的连接请求时，从线程池或进程池中获取一个空闲的线程或进程来处理，提高处理效率。
2. 采用异步I/O：利用异步I/O技术，服务器在处理连接请求时可以不必阻塞等待，提高服务器的并发处理能力。例如在Python中，可以使用asyncio库实现异步I/O操作，让服务器在等待I/O操作完成的同时可以处理其他连接请求。

长连接和短连接中的四次挥手处理

1. 长连接：长连接是指在一次连接建立后，双方可以进行多次数据传输，而不会频繁地进行连接建立和关闭操作。在长连接中，四次挥手通常在业务结束时进行。为了保证连接的稳定性，可能会引入心跳机制，定期发送心跳包来检测连接是否正常。如果发现连接异常，及时进行四次挥手关闭连接。
2. 短连接：短连接是指每次数据传输完成后就立即关闭连接。在短连接中，四次挥手的频率较高。为了提高性能，可以优化关闭连接的过程，例如采用快速关闭机制，在确保数据传输完成的情况下，尽量减少关闭连接的时间开销。

总结三次握手和四次挥手与TCP协议其他机制的关系

1. 与序列号和确认号的关系：三次握手和四次挥手过程中，序列号和确认号起到了关键作用。在三次握手时，通过序列号和确认号确认双方的初始序列号，为后续的数据传输建立基础。在四次挥手时，序列号和确认号用于确认关闭请求和响应，确保连接安全关闭。序列号和确认号的正确使用保证了TCP协议的可靠性，使数据能够按序传输并被正确接收。
2. 与滑动窗口机制的关系：滑动窗口机制用于控制数据的流量，提高传输效率。在三次握手建立连接后，双方会协商窗口大小。在数据传输过程中，发送方根据接收方的窗口大小来发送数据，接收方通过调整窗口大小来告知发送方自己的接收能力。在四次挥手过程中，虽然数据传输逐渐停止，但滑动窗口机制仍然在一定程度上影响着连接关闭的过程。例如，在关闭连接前，发送方需要确保已发送的数据都被确认接收，这与滑动窗口机制中对数据确认的要求是一致的。
3. 与重传机制的关系：重传机制是TCP协议保证可靠性的重要手段。在三次握手和四次挥手过程中，如果某个包丢失或超时未收到确认，重传机制就会发挥作用。例如在三次握手时，如果客户端发送的SYN包未收到服务器的响应，客户端会重发SYN包。在四次挥手时，如果服务器发送的FIN包未收到客户端的ACK确认，服务器会重发FIN包。重传机制确保了三次握手和四次挥手过程的顺利进行，避免因包丢失导致连接建立或关闭失败。

通过深入理解TCP协议中的三次握手与四次挥手，以及它们与其他机制的关系，开发者能够更好地进行网络编程，优化网络应用的性能，确保数据传输的可靠性和稳定性。无论是在传统的C/S架构应用，还是在现代的分布式系统、云计算等领域，TCP协议的这些核心机制都起着至关重要的作用。