TCP/IP 三次握手与四次挥手

一、TCP报文格式

TCP/IP协议的详细信息参看《TCP/IP协议详解》三卷本。下面是TCP报文格式图：



上图中有几个字段需要重点介绍下：

(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。

二、三次握手

所谓三次握手(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和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攻击是一种典型的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

三、四次挥手

三次握手耳熟能详，四次挥手估计就歇菜了，所谓四次挥手(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，整个流程如下图所示：



由于TCP连接是全双工的，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，上图描述的即是如此。

(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。

上面是一方主动关闭，另外一方被动关闭的情况，实际中还会出现同时发起主动关闭的情况，具体流程如下图：



流程和状态在上图中已经很明了了，在此不再赘述，可以参考前面的四次挥手解析步骤。

四、附注

关于三次握手和四次挥手通常都会有典型的面试题，再此提出供有需求的朋友参考：

(1) 三次握手是什么？四次挥手呢？

答案：前面分析的内容就是咯。

(2) 为什么建立连接时三次握手，而关闭连接确实四次挥手呢？

答案：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报文给客户端。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时，仅仅表示客户端不再发送数据了，但是还能接收数据，Server端也未必全部数据都发送给对方了，所以Server端可以立即close，也可以发送一些数据给Client端，然后再发送FIN报文给对方表示同意现在关闭连接，通俗的说就是ACK和FIN一般都会分开发送，故需要四步挥手。