TCP/IP协议介绍——三次握手四次挥手

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议）是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇。TCP/IP协议不仅仅指的是TCP 和IP两个协议，而是指一个由FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等协议构成的协议簇，只是因为在TCP/IP协议中TCP协议和IP协议最具代表性，所以被称为TCP/IP协议。

TCP/IP传输协议，即传输控制/网络协议，也叫作网络通讯协议。它是在网络的使用中的最基本的通信协议。TCP/IP传输协议对互联网中各部分进行通信的标准和方法进行了规定。并且，TCP/IP传输协议是保证网络数据信息及时、完整传输的两个重要的协议。TCP/IP传输协议是严格来说是一个四层的体系结构，应用层、传输层、网络层和数据链路层都包含其中。

TCP/IP协议在一定程度上参考了OSI的体系结构。OSI模型共有七层，从下到上分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。但是这显然是有些复杂的，所以在TCP/IP协议中，它们被简化为了四个层次。

（1）应用层、表示层、会话层三个层次提供的服务相差不是很大，所以在TCP/IP协议中，它们被合并为应用层一个层次。应用层是TCP/IP协议的第一层，是直接为应用进程提供服务的。

（2）传输层：作为TCP/IP协议的第二层，传输层在整个TCP/IP协议中起到了中流砥柱的作用。且在传输层中，TCP和UDP也同样起到了中流砥柱的作用。

（3）网络层：在TCP/IP协议中的位于第三层。在TCP/IP协议中网络层可以进行网络连接的建立和终止以及IP地址的寻找等功能。

（4）因为数据链路层和物理层的内容相差不多，所以在TCP/IP协议中它们被归并在网络接口层一个层次里。由于网络接口层兼并了物理层和数据链路层所以，网络接口层既是传输数据的物理媒介，也可以为网络层提供一条准确无误的线路。

1 通信过程及相关协议

在网络通信的过程中，将发出数据的主机称为源主机，接收数据的主机称为目的主机。当源主机发出数据时，数据在源主机中从上层向下层传送。源主机中的应用进程先将数据交给应用层，应用层加上必要的控制信息就成了报文流，向下传给传输层。传输层将收到的数据单元加上本层的控制信息，形成报文段、数据报，再交给网际层。网际层加上本层的控制信息，形成IP数据报，传给网络接口层。网络接口层将网际层交下来的IP数据报组装成帧，并以比特流的形式传给网络硬件（即物理层），数据就离开源主机。

在TCP/IP连接中，为了确保双方都能准备好发送和接收数据，会进行一系列的控制信号交换，这其中包括了“三次握手”来建立连接和“四次挥手”来关闭连接。三次握手和四次挥手是TCP协议中建立连接和释放连接的重要过程，它们确保了数据传输的可靠性和连接的正确管理。

TCP/IP协议中，主动发起请求的一端称为『客户端』，被动连接的一端称为『服务端』。不管是客户端还是服务端，TCP连接建立完后都能发送和接收数据。

刚开始的时候，服务器和客户端都为CLOSED状态。在通信开始前，双方都得创建各自的传输控制块（TCB）。

服务器创建完TCB后遍进入LISTEN状态，此时准备接收客户端发来的连接请求。

2 三次握手（Three-way Handshake）

三次握手用于建立TCP连接，确保发送方和接收方都准备好进行数据传输。以下是三次握手的步骤：

第一次握手

客户端向服务端发送连接请求报文段。该报文段的头部中同步SYN=1，确认ACK=0，同时选择一个初始序号seq=x。请求发送后，客户端便进入SYN-SENT状态，等待服务器确认。

SYN=1，ACK=0表示该报文段为连接请求报文

x为本次TCP通信的字节流的初始序号

SYN=1的报文段不能有数据部分，但要消耗掉一个序号

第二次握手

服务器收到连接请求的SYN报文之后，必须确认客户的SYN（SYN=1，ACK=1，ack=x+1，seq=y），同时自己也发送一个SYN包（SYN=1，seq=y），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态。

SYN=1，ACK=1表示该报文段为连接同意的应答报文

seq=y表示服务端作为发送者时，发送字节流中的第一个字节序号

ack=x+1表示服务端希望客户端发送的下一个数据报初始序号是从x+1开始

第三次握手

客户端收到服务器连接统一的应答SYN＋ACK包，向服务器发送确认包(ACK=1，ack=y+1，seq=x+1，acknum=y+1)，此包发送完毕，表示服务端发来的连接同意应答已经成功收到。客户端和服务器进入ESTABLISHED（代表成功打开一个TCP/IP连接，数据可以传送给用户）状态，完成三次握手。

完成三次握手，客户端与服务器开始传送数据。

3 四次挥手（Four-way Handshake）

TCP连接的释放一共需要四步，这也是四次挥手的由来。

TCP连接是双向的，在四次挥手中，前两次挥手用于断开一个方向的连接，后两次挥手用于断开另一方向的连接。确保发送方和接收方都关闭了数据传输的通道。以下是四次挥手的步骤：

第一次挥手

客户端数据发送完成，则它向服务端发送连接释放请求。该请求只有报文头，头中携带的主要参数为：FIN=1，seq=u，用来关闭客户端到服务器的数据传送。此时，客户端将进入FIN-WAIT-1状态。FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。

FIN=1表示该报文段是一个连接释放请求

seq=u，u-1是客户端向服务端发送的最后一个字节的序号

第二次挥手

服务器收到客户端连接释放报文FIN后，发送一个ACK给客户端，报文头为：ACK=1，ack=u+1（确认序号为收到序号+1），并且带上自己的序列号seq=v。服务器进入CLOSE_WAIT状态。此时TCP连接处于半关闭状态，即客户端已经没有要发送的数据了，但服务器若发送数据，客户端仍要接受。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。

ACK=1：除TCP连接请求报文段以外，TCP通信过程中所有数据报的ACK都为1，表示应答

seq=v，v是服务端释放应答报文段第一个字节序号

ack=u+1表示希望收到从第u+1个字节开始的报文段，并且已经成功接收了前u个字节

客户端收到该应答后，进入FIN-WAIT-2状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。

第二次挥手完成后，客户端到服务端方向的连接已经释放，服务端不会再接收客户端的数据，客户端也没有数据要发送了。但服务端到客户端方向的连接仍然存在，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。

第三次挥手

服务端将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文FIN，用来关闭服务器到客户端的数据传送，其报文头包含：FIN=1，ack=u+1，由于在CLOS-WAIT状态，服务端很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器进入LAST_ACK状态，等待客户端的确认。

第四次挥手

客户端收到服务器的连接释放报文FIN后，向服务端发出确认应答，报文头为：ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，客户端进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给服务器，确认后，服务器进入CLOSED状态，客户端等待一段时间后也进入了CLOSED状态。

注意，客户端最后还要等待一段时间，这就是TIME_WAIT状态。客户端等待一段时间是为了确保服务器收到了ACK，如果此时服务器没有收到ACK则可以重传。这个等待时间通常是2MSL（最长报文段寿命）的时间。当客户端撤销相应的TCB后，就进入了CLOSED状态。服务器只要收到了客户端发来的ACK报文，就撤销TCB，进入CLOSED状态。