TCP/IP协议三次握手与四次挥手

TCP报文格式

各字段详解

源端口和目的端口
源端口和目的端口分别代表呼叫方和被呼叫方的TCP端口号，各占16位。一个端口与主机的IP地址就可以完整地标识一个端点了，也就是构成套接字（Socket）。

序号（Sequence Number）
序号指TCP数据段中的“数据”部分（不包含“数据段头”部分）的第一个字节的编号，占32位。在一个TCP连接中，传送的数据字节流的每一个数据字节都要按顺序进行编号，在“数据段头”中标识的只是每个数据段的第一个数据字节的编号。整个要传送的字节流的起始序号必须在连接建立时设置。例如，一个数据段的“序号”字段值是101，而该数字段*有100个字节，表明本数据段的最后一个字节的编号是200。这样一来，下一个数据段的。这样以来，下一个数据段的“序号”字段值应该是201，而不是102，这点要注意。

确认号
确认号指期望接收到对方下一个数据段中“数据”部分的第一个字节序号，占32位。注意，“确认号”不是代表已经正确接收到的最后一个字节的序号。例如，主机B已收到主机A发来的一个数据段，其序号值是101，而该数据段的长度是100字节。这表明主机B已收到主机A前200个字节，下一个期望要收到的数据段的第一个字节的序号应该是201，于是主机B在给主机A发送确认数据段时要把“确认号”设置为201。
“序号”和“确认号”两个字段共同用于TCP服务中的差错控制，确保TCP数据传输的可靠性。

数据偏移
数据偏移指数据段中的“数据”部分起始处距离TCP数据段起始处的字节偏移量，占4位。其实这里的“数据偏移”也是在确定TCP数据段头部分的长度，因为“数据”部分是紧接着数据段头的。因为TCP数据段头中有不确定的“可选项”字段，所以数据偏移字段是非常必要的。但是注意的是，数据偏移量是以32位（即4字节）为单位来计算的，而不是以单个字节来计算的。因为4个比特位可以表示的最大数为15，所以数据偏移量最大为60字节，这也是TCP数据段头部分的最大长度。

保留
这是为将来应用而保留的6个比特位，目前应全设置为0。

ACK
Acknowledgement（确认）控制位，指示TCP数据段中的“确认号”字段是否有效，占1位。仅当ACK位置1时才表示“确认号”字段有效，否则表示“确认号”字段无效，应用层实体在读取数据时可以不管“确认号”字段。

PSH
Push（推）控制位，指示是否需要立即把收到的该数据段提交给应用进程，而置0时没有这个要求，可以先缓存起来。

RST
Reset（重置）控制位，用于重置、释放一个已经混乱的传输连接，然后重建新的传输连接，占1位。当RST位置1时，释放当前传输连接，然后可以重新建立新的传输连接。

SYN
Synchronization（同步）控制位，用来在传输连接建立时同步传输连接序号，占1位。当SYN位置1时，表示这是一个连接请求或连接确认报文。当SYN=1，而ACK=0时，表明这是一个连接请求数据段。如果对方同意建立连接，则对方会返回一个SYN=1、ACK=1的确认。

FIN
Final（最后）控制位，用于释放一个传输连接，占1位。当FIN位置1时，表示数据已经全部传输完成，发送端没有数据要传输了，要求释放当前信号，但是接收端仍然可以继续接受还没有接受完的数据。在正常传输时，该位置0。

窗口大小
指示发送此TCP数据段的主机上用来存储传入数据段的窗口大小，也即发送者当前还可以接受的最大字节数，占16位。TCP的“窗口大小”字段与CDT一样是使用可变大小的滑动窗口协议来进行流量控制。“窗口大小”字段的值告诉接受本数据段的主机，从本数据段中所设置的“确认号”值算起，本端目前允许对端发送的字节数，是作为让对方设置其发送窗口大小的依据。假设本次所发送的数据段的“确认号”字段值501，而“窗口大小”字段值是100，则从501算起，本端还可以接受100字节（字节号是501~600）。

检验和
检验和是对“数据段头”、“数据”、和“伪头部”这三部分进行校验，占16位。“伪头部”包括源主机和目的主机的32位IP地址、TCP协议号（6），以及TCP数据段长度。若想了解如何进行校验，请参考另一片文章IPV4 数据报头部格式中的检验和的计算方法，里面有详细的例子。

紧急指针
仅当前面的URG控制位置1时才有意义，它指出本数据段中为紧急数据的字节数，占16位。“紧急指针”字段指明了紧急数据的末尾在数据段中的位置。当所有紧急数据处理完后，TCP就会告诉应用程序恢复到正常操作。要注意一点，即使当前窗口大小为0，也是可以发送紧急数据的，因为紧急数据无须缓存。

可选项
“可选项”字段时可选的，且长度可变，最长达40字节。当没有使用该字段时，TCP头部的长度是20字节。它可以包括窗口缩放选项（Windows Scale Option， WSopt）、MSS（最大数据段大小）、SACK（选择性确认）选项、时间戳（Timestamp）选项等。

数据
这是有应用层的应用进程提交的数据，作为TCP数据段的“数据”（有效载荷）部分。

简述：

（1）序号：Seq序号，占32位，用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流，发起方发送数据时对此进行标记。
（2）确认序号：Ack序号，占32位，只有ACK标志位为1时，确认序号字段才有效，Ack=Seq+1。
（3）标志位：共6个，即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等，具体含义如下：
（A）URG：紧急指针（urgent pointer）有效。
（B）ACK：确认序号有效。
（C）PSH：接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
（D）RST：重置连接。
（E）SYN：发起一个新连接。
（F）FIN：释放一个连接。

需要注意的是：
（A）不要将确认序号Ack与标志位中的ACK搞混了。
（B）确认方Ack=发起方Req+1，两端配对。

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二、三次握手

**三次握手（Three-Way Handshake）**即建立TCP连接，就是指建立一个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。在socket编程中，这一过程由客户端执行connect来触发，整个流程如下图所示：

（1）第一次握手：Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。
（2）第二次握手：Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。
（3）第三次握手：Client收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

SYN攻击：
在三次握手过程中，Server发送SYN-ACK之后，收到Client的ACK之前的TCP连接称为半连接（half-open connect），此时Server处于SYN_RCVD状态，当收到ACK后，Server转入ESTABLISHED状态。SYN攻击就是Client在短时间内伪造大量不存在的IP地址，并向Server不断地发送SYN包，Server回复确认包，并等待Client的确认，由于源地址是不存在的，因此，Server需要不断重发直至超时，这些伪造的SYN包将产时间占用未连接队列，导致正常的SYN请求因为队列满而被丢弃，从而引起网络堵塞甚至系统瘫痪。SYN攻击时一种典型的DDOS攻击，检测SYN攻击的方式非常简单，即当Server上有大量半连接状态且源IP地址是随机的，则可以断定遭到SYN攻击了，使用如下命令可以让之现行：

#netstat -nap | grep SYN_RECV 

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三、四次挥手

**四次挥手（Four-Way Wavehand）**即终止TCP连接，就是指断开一个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。在socket编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发。

1. 一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭

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由于TCP连接时全双工的，因此，每个方向都必须要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭：整个流程如下图所示：

（1）第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN_WAIT_1状态。
（2）第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），Server进入CLOSE_WAIT状态。
（3）第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK状态。
（4）第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。

2.同时发起主动关闭

具体流程如下图：

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四、附注

为什么建立连接是三次握手，而关闭连接却是四次挥手呢？
这是因为服务端在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时，当收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，己方也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即close，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送。