TCP三次握手与四次挥手过程解析
字数 1986 2025-11-03 08:33:37

TCP三次握手与四次挥手过程解析

题目描述
TCP（传输控制协议）是互联网核心协议之一，负责在不可靠的网络环境中提供可靠的、面向连接的字节流传输服务。其连接的建立与释放过程分别通过"三次握手"和"四次挥手"机制实现。面试中常要求详细解释这两个过程的步骤、每个步骤中传输的数据包内容（特别是标志位和序列号的变化）以及为什么需要三次握手（而非两次或四次）和四次挥手（而非三次）。

解题过程循序渐进讲解

第一步：理解TCP报文头部关键字段
在分析握手挥手过程前，需先掌握TCP报文头部几个核心字段：

  • 序列号（Sequence Number, seq）：标识发送端数据字节流的起始编号，用于数据排序和去重。
  • 确认号（Acknowledgment Number, ack）：接收方期望收到的下一个字节的序列号，其值为收到的seq+1，表示之前数据已正确接收。
  • 标志位（Flags）：
    • SYN：同步位，置1表示请求建立连接。
    • ACK：确认位，置1表示确认号字段有效。
    • FIN：终止位，置1表示要求释放连接。

第二步：三次握手建立连接过程
假设客户端（Client）主动向服务器（Server）发起连接：

  1. 第一次握手（SYN=1, seq=x）

    • 客户端发送一个TCP报文，设置SYN标志位为1，随机生成初始序列号（seq=x）。此时不携带应用数据。
    • 客户端进入SYN-SENT状态，等待服务器确认。
    • 作用：客户端向服务器表达连接意向，并同步初始序列号。

  2. 第二次握手（SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1）

    • 服务器收到报文后，若同意连接，则回复一个报文。设置SYN和ACK标志位均为1，随机生成服务器的初始序列号（seq=y），确认号设为客户端序列号+1（ack=x+1）。
    • 服务器进入SYN-RCVD状态。
    • 作用：服务器确认客户端的连接请求，同时同步自己的初始序列号。

  3. 第三次握手（ACK=1, seq=x+1, ack=y+1）

    • 客户端收到服务器的回复后，需再次发送确认报文。设置ACK标志位为1，序列号变为x+1（因为第一次握手消耗一个序列号），确认号设为服务器序列号+1（ack=y+1）。此报文可携带应用数据。
    • 服务器收到后，双方进入ESTABLISHED状态，连接建立成功。
    • 作用：客户端确认服务器的同步请求，防止已失效的连接请求突然传到服务器导致错误。

为什么需要三次握手？

  • 核心原因：避免历史重复连接初始化造成的资源浪费。如果只有两次握手，当客户端延迟的重复SYN报文到达服务器时，服务器会误认为新连接已建立并分配资源，导致资源空耗。第三次握手让客户端有机会判断连接是否最新（通过确认号验证），从而拒绝历史请求。
  • 此外，三次握手确保了双方初始序列号可靠同步，为后续可靠传输奠定基础。

第三步：四次挥手断开连接过程
假设客户端主动发起关闭：

  1. 第一次挥手（FIN=1, seq=u）

    • 客户端发送FIN报文（FIN=1），序列号为u（等于之前已传数据最后一个字节序号+1）。客户端进入FIN-WAIT-1状态。
    • 作用：客户端通知服务器数据发送完毕，要求关闭客户端到服务器的数据通道。

  2. 第二次挥手（ACK=1, seq=v, ack=u+1）

    • 服务器收到FIN后，立即回复ACK报文（ACK=1），确认号ack=u+1，序列号为v。服务器进入CLOSE-WAIT状态。
    • 此时客户端到服务器的连接已关闭，但服务器到客户端可能仍有数据待发送。
    • 客户端收到ACK后进入FIN-WAIT-2状态，等待服务器的FIN报文。

  3. 第三次挥手（FIN=1, ACK=1, seq=w, ack=u+1）

    • 服务器完成剩余数据发送后，发送FIN+ACK报文（FIN=1, ACK=1），序列号为w（可能比v大），确认号仍为u+1。服务器进入LAST-ACK状态。
    • 作用：服务器通知客户端其数据也已发送完毕，要求关闭服务器到客户端的数据通道。

  4. 第四次挥手（ACK=1, seq=u+1, ack=w+1）

    • 客户端收到FIN后，回复ACK报文（ACK=1），确认号ack=w+1，序列号为u+1。客户端进入TIME-WAIT状态，等待2MSL（最大报文段生存时间）后关闭连接。
    • 服务器收到ACK后立即关闭连接。
    • 作用：客户端确认服务器的关闭请求，确保服务器能正常关闭。

为什么需要四次挥手？

  • 因为TCP连接是全双工的，数据发送和接收通道相互独立。关闭连接时，一方发送FIN仅表示自己不再发送数据（但可能还要接收数据）。因此，关闭过程需双方分别发起FIN和确认ACK，从而比建立连接多一次交互。
  • TIME-WAIT状态的作用：确保最后一个ACK能到达服务器（若丢失，服务器会重传FIN）；让本连接持续时间内产生的所有报文从网络中消失，避免影响新连接。
TCP三次握手与四次挥手过程解析 题目描述 TCP（传输控制协议）是互联网核心协议之一，负责在不可靠的网络环境中提供可靠的、面向连接的字节流传输服务。其连接的建立与释放过程分别通过"三次握手"和"四次挥手"机制实现。面试中常要求详细解释这两个过程的步骤、每个步骤中传输的数据包内容（特别是标志位和序列号的变化）以及为什么需要三次握手（而非两次或四次）和四次挥手（而非三次）。 解题过程循序渐进讲解 第一步：理解TCP报文头部关键字段 在分析握手挥手过程前，需先掌握TCP报文头部几个核心字段： 序列号（Sequence Number, seq） ：标识发送端数据字节流的起始编号，用于数据排序和去重。 确认号（Acknowledgment Number, ack） ：接收方期望收到的下一个字节的序列号，其值为收到的seq+1，表示之前数据已正确接收。 标志位（Flags） ： SYN ：同步位，置1表示请求建立连接。 ACK ：确认位，置1表示确认号字段有效。 FIN ：终止位，置1表示要求释放连接。 第二步：三次握手建立连接过程 假设客户端（Client）主动向服务器（Server）发起连接： 第一次握手（SYN=1, seq=x） 客户端发送一个TCP报文，设置SYN标志位为1，随机生成初始序列号（seq=x）。此时不携带应用数据。 客户端进入SYN-SENT状态，等待服务器确认。 作用 ：客户端向服务器表达连接意向，并同步初始序列号。 第二次握手（SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1） 服务器收到报文后，若同意连接，则回复一个报文。设置SYN和ACK标志位均为1，随机生成服务器的初始序列号（seq=y），确认号设为客户端序列号+1（ack=x+1）。 服务器进入SYN-RCVD状态。 作用 ：服务器确认客户端的连接请求，同时同步自己的初始序列号。 第三次握手（ACK=1, seq=x+1, ack=y+1） 客户端收到服务器的回复后，需再次发送确认报文。设置ACK标志位为1，序列号变为x+1（因为第一次握手消耗一个序列号），确认号设为服务器序列号+1（ack=y+1）。此报文可携带应用数据。 服务器收到后，双方进入ESTABLISHED状态，连接建立成功。 作用 ：客户端确认服务器的同步请求，防止已失效的连接请求突然传到服务器导致错误。 为什么需要三次握手？ 核心原因 ：避免历史重复连接初始化造成的资源浪费。如果只有两次握手，当客户端延迟的重复SYN报文到达服务器时，服务器会误认为新连接已建立并分配资源，导致资源空耗。第三次握手让客户端有机会判断连接是否最新（通过确认号验证），从而拒绝历史请求。 此外，三次握手确保了双方初始序列号可靠同步，为后续可靠传输奠定基础。 第三步：四次挥手断开连接过程 假设客户端主动发起关闭： 第一次挥手（FIN=1, seq=u） 客户端发送FIN报文（FIN=1），序列号为u（等于之前已传数据最后一个字节序号+1）。客户端进入FIN-WAIT-1状态。 作用 ：客户端通知服务器数据发送完毕，要求关闭客户端到服务器的数据通道。 第二次挥手（ACK=1, seq=v, ack=u+1） 服务器收到FIN后，立即回复ACK报文（ACK=1），确认号ack=u+1，序列号为v。服务器进入CLOSE-WAIT状态。 此时客户端到服务器的连接已关闭，但服务器到客户端可能仍有数据待发送。 客户端收到ACK后进入FIN-WAIT-2状态，等待服务器的FIN报文。 第三次挥手（FIN=1, ACK=1, seq=w, ack=u+1） 服务器完成剩余数据发送后，发送FIN+ACK报文（FIN=1, ACK=1），序列号为w（可能比v大），确认号仍为u+1。服务器进入LAST-ACK状态。 作用 ：服务器通知客户端其数据也已发送完毕，要求关闭服务器到客户端的数据通道。 第四次挥手（ACK=1, seq=u+1, ack=w+1） 客户端收到FIN后，回复ACK报文（ACK=1），确认号ack=w+1，序列号为u+1。客户端进入TIME-WAIT状态，等待2MSL（最大报文段生存时间）后关闭连接。 服务器收到ACK后立即关闭连接。 作用 ：客户端确认服务器的关闭请求，确保服务器能正常关闭。 为什么需要四次挥手？ 因为TCP连接是全双工的，数据发送和接收通道相互独立。关闭连接时，一方发送FIN仅表示自己不再发送数据（但可能还要接收数据）。因此，关闭过程需双方分别发起FIN和确认ACK，从而比建立连接多一次交互。 TIME-WAIT状态的作用 ：确保最后一个ACK能到达服务器（若丢失，服务器会重传FIN）；让本连接持续时间内产生的所有报文从网络中消失，避免影响新连接。