TCP协议的三次握手和四次挥手

写在前面：
    在TCP/IP协议栈中，尽管TCP协议和UDP协议都是用网络层，但是他们向应用层却提供了不同的服务。TCP提供了一种面向连接的可靠地字节流传输，而UDP协议提供的是面向无连接的，简单不可靠的信息传输。
    面向连接也就意味着客户端和服务器，在交换彼此数据之前，需要建议一个TCP连接，这篇博客就将会结束如何建立和释放一个TCP连接，也就是我们说的三次握手和四次挥手。

TCP报文格式：

（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。

三次握手：

    三次握手（Three Way HandShake）的过程是为了建立可靠的通信信道，确保通信双方，即发送方与接收方处于正常状态，可以建议一个TCP连接。

我们用一张图来描述三次握手的过程：


    在建立TCP连接的过程中，通信双方要发送3次数据包，才能完成建立连接的过程。
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，这时Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。

第二次握手：

    Server收到数据包后由于标志位SYN=1，知道Client请求建立连接，Server将标志位的SYN和ACK都置为1，将确认序号ack=J+1，并随机产生一个值seq=K，将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。

第三次握手：

    Client收到确认后，检查确认序号ack是否为J+1，标志位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。    
    这样就完成三次握手，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。

四次挥手：

    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个数据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：    


第一次挥手：
    Client发送一个标志位FIN=1，用来关闭Client到Serve的数据传送，并随机产生一个值seq=X，将该数据包发送给Server，Client进入FIN_WAIT_1状态。

第二次挥手：

    Server收到标志位FIN=1，知道Client要释放连接，将标志位ACK=1，确认序号ack=X+1，并生成一个随机值seq=Z。服务器进入 CLOSE_WAIT状态。

第三次挥手：

    Server发送标志位FIN=1，用来关闭Server到Client的数据传送。Server进入LAST_ACK状态。
第四次挥手：

    Client收到FIN后，CLient进入TIME_WAIT状态，发送ACk报文，并发送确认序号=Y+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。

四次挥手状态：

    FIN_WAIT_1状态： 表示等待对方的FIN报文。Socket处于ESTABLISHED状态，向服务器发送FIN报文，立即进入 FIN_WAIT_1状态。

    CLOSE_WAIT状态：表示等待关闭。当收到客户端的FIN报文，并返回一个ACK报文后Socket进入CLOSE_WAIT状态。接下来，只需要检查自己是否还有数据要发给客户端，如果没有，就向客户端发送FIN 报文。

    FIN_WAIT_2状态：表示等待对方的FIN报文。当客户端收到了服务器的ACK后，进入FIN_WAIT_2状态。这个状态还是要告诉服务器，我还有ACK报文要发送，等下再关闭连接。

    LAST_ACK状态：被动关闭连接的一方，在FIN报文之后，最后等待客户端的ACK报文。当收到了ACK报文之后，别动关闭的一方就会进入了CLOSED状态。
    TIME_WAIT状态：表示收到了对方的FIN报文，也向对方发送了ACK报文。只要等待2MSL后，就可回到CLOSED状态。
    CLOSED状态：表示连接中断。

    

为什么建立连接要3次，而关闭连接要4次？

    TCP协议一种面向连接的，可靠的，基于字节流的传输层协议。且TCP是全双工模式，当客户端发出FIN报文后，意味着客户端告诉服务器自己没有数据要发送了，但客户端仍然可以接受数据。然后，当服务器发送ACK报文段时，表示服务器已经知道客户端不会再发送数据了。其次，当服务器发送FIN报文时，表示服务器也没有数据要发送。
    建立连接时，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，会把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。