TCP三次握手四次挥手详解

一、TCP报文首部（部分）

***seq：***。根据***识别某个操作。占4个字节，用来标记数据段的顺序，TCP把连接中发送的所有数据字节都编上一个序号，第一个字节的编号由本地随机产生；给字节编上序号后，就给每一个报文段指派一个序号；***seq就是这个报文段中的第一个字节的数据编号。

确认号ack：占4个字节，期待收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号；***表示报文段携带数据的第一个字节的编号；而确认号指的是期望接收到下一个字节的编号；因此当前报文段最后一个字节的编号+1即为确认号。

确认ACK：确认信号。占1位，仅当ACK=1时，确认号字段才有效。ACK=0时，确认号无效

同步SYN：请求建立连接。连接建立时用于同步序号。当SYN=1，ACK=0时表示：这是一个连接请求报文段。若同意连接，则在响应报文段中使得SYN=1，ACK=1。因此，SYN=1表示这是一个连接请求，或连接接受报文。SYN这个标志位只有在TCP建产连接时才会被置1，握手完成后SYN标志位被置0。

终止FIN：希望断开连接。用来释放一个连接。FIN=1表示：此报文段的发送方的数据已经发送完毕，并要求释放运输连接

PS：ACK、SYN和FIN这些大写的单词表示标志位，其值要么是1，要么是0；ack、seq小写的单词表示序号。

专有名词：
SYN(synchronous 建立联机)
ACK(acknowledgement 确认)
PSH(push 传送)
FIN(finish 结束)
RST(reset 重置)
URG(urgent 紧急)
Sequence number(顺序号码)
Acknowledge number(确认号码) ack
establish 建立，创建

二、三次握手理解

三次握手（Three-Way Handshake）即建立 TCP 连接，是指建立一个 TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送 3 个包以确认连接的建立。

1. 第一次握手：建立连接。客户端发送连接请求报文段，将SYN位置为1，seq为x；然后，客户端进入SYN_SEND状态，等待服务器的确认；
2. 第二次握手：服务器收到SYN报文段。服务器收到客户端的SYN报文段，需要对这个SYN报文段进行确认，设置ack为x+1(seq+1);同时，自己自己还要发送SYN请求信息，将SYN位置为1，seq为y;服务器端将上述所有信息放到一个报文段(即SYN+ACK报文段)中，一并发送给客户端，此时服务器进入SYN_RECV状态;
3. 第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK报文段。然后将ack设置为y+1，向服务器发送ACK报文段，这个报文段发送完毕以后，客户端和服务器端都进入ESTABLISHED状态，完成TCP三次握手。

完成了三次握手，客户端和服务器端就可以开始传送数据。

三、四次挥手理解

所谓四次挥手（Four-Way Wavehand）即终止 TCP 连接，就是数据传送完毕，要断开一个 TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送 4 个包以确认连接的断开。

1. 第一次挥手：主机1(可以使客户端，也可以是服务器端)发出连接释放报文，并且停止发送数据，FIN=1，其***为seq=u，向主机2发送一个FIN报文段；此时，主机1进入FIN_WAIT_1状态;这表示主机1没有数据要发送给主机2了; TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。

2. 第二次挥手：主机2收到了主机1发送的FIN报文段，向主机1回一个ACK报文段，ACK=1，ack=u+1(seq+1)；主机1进入FIN_WAIT_2状态, 客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间

3. 第三次挥手：主机2向主机1发送FIN报文段(连接释放报文)，请求关闭连接，FIN=1，ack=u+1，此时，主机2就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认

4. 第四次挥手：主机1收到主机2发送的FIN报文段(连接释放报文)，向主机2发送ACK报文段，然后主机1进入TIME_WAIT状态;主机2收到主机1的ACK报文段以后，就关闭连接;此时，ACK=1，ack=w+1，而自己的***是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2MSL（最长报文段寿命）的时间，2MSL时间后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，才进入CLOSED状态。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

四、Python中TCP网络应用程序开发

在 socket 编程中，三次握手这一过程由客户端执行 connect 来触发

#客户端代码
#客户端首先发起请求连接服务器
import socket
host = '127.0.0.1'#设置ip
port = 8088 #端口
s = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
s.connect((host,port))#连接服务端，三次握手触发

在socket编程中，四次挥手这一过程由客户端或服务端任一方执行 close 来触发

#服务器端代码
import socket
host = '127.0.0.1'#设置ip
port = 8088 #端口
s = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
#连接服务端
s.bind((host,port))
s.listen(5)
print("服务端已开启,等待客户端连接...")
conn, addr = s.accept()#连接
print("客户端已连接...\n")

五、常见面试题

【问题1】为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手？

答：因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，“你发的FIN报文我收到了”。只有等到我Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。

【问题2】为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态？

答：虽然按道理，四个报文都发送完毕，我们可以直接进入CLOSE状态了，但是我们必须假象网络是不可靠的，有可以最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。在Client发送出最后的ACK回复，但该ACK可能丢失。Server如果没有收到ACK，将不断重复发送FIN片段。所以Client不能立即关闭，它必须确认Server接收到了该ACK。Client会在发送出ACK之后进入到TIME_WAIT状态。Client会设置一个计时器，等待2MSL的时间。如果在该时间内再次收到FIN，那么Client会重发ACK并再次等待2MSL。所谓的2MSL是两倍的MSL(Maximum Segment Lifetime)。MSL指一个片段在网络中最大的存活时间，2MSL就是一个发送和一个回复所需的最大时间。如果直到2MSL，Client都没有再次收到FIN，那么Client推断ACK已经被成功接收，则结束TCP连接。

【问题3】为什么不能用两次握手进行连接？

答：为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端，因而产生错误。
举一个例子：
"已失效的连接请求报文段”的产生在这样一种情况下：client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某个网络结点长时间的滞留了，以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。本来这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。于是就向client发出确认报文段，同意建立连接。假设不采用“三次握手”，那么只要server发出确认，新的连接就建立了。由于现在client并没有发出建立连接的请求，因此不会理睬server的确认，也不会向server发送数据。但server却以为新的运输连接已经建立，并一直等待client发来数据。这样，server的很多资源就白白浪费掉了。采用“三次握手”的办法可以防止上述现象发生。例如刚才那种情况，client不会向server的确认发出确认。server由于收不到确认，就知道client并没有要求建立连接。"这就很明白了，防止了服务器端的一直等待而浪费资源。

【问题4】如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？
TCP还设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75秒钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。

参考：https://blog.csdn.net/qq_38950316/article/details/81087809