TCP三次握手与四次挥手

TCP三次握手与四次挥手

TCP三次握手（Three-way Handshake）和四次挥手（Four-way Handshake）是传输控制协议（TCP）建立和终止连接的核心机制。它们确保了数据传输的可靠性和有序性，是计算机网络中最重要的基础概念之一。

概述

TCP是一种面向连接的协议，在通信双方传输数据前，必须先建立连接，通信结束后再释放连接。三次握手用于建立连接，而四次挥手用于终止连接。

为什么需要握手和挥手？

• 可靠性：确保双方具备收发能力，避免无效连接。
• 同步序列号：交换初始序列号（ISN），保证数据有序传输。
• 资源管理：防止因网络延迟导致的历史连接干扰。

TCP三次握手

三次握手的目标是同步双方的初始序列号（ISN）并确认双方的收发能力。

握手过程

sequenceDiagram participant Client participant Server Client->>Server: SYN=1, seq=x (SYN_SENT) Server->>Client: SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1 (SYN_RECEIVED) Client->>Server: ACK=1, seq=x+1, ack=y+1 (ESTABLISHED) Note right of Server: ESTABLISHED

1. 第一次握手：客户端发送SYN=1（同步标志位）和初始序列号`seq=x`，进入`SYN_SENT`状态。 2. 第二次握手：服务器回复SYN=1、ACK=1（确认标志位），发送自己的序列号`seq=y`，并确认客户端的序列号`ack=x+1`，进入`SYN_RECEIVED`状态。 3. 第三次握手：客户端发送ACK=1，确认服务器的序列号`ack=y+1`，双方进入`ESTABLISHED`状态。

为什么是三次？

• 两次握手无法防止历史连接的干扰（如延迟的SYN包）。
• 三次握手可确保双方均确认对方的收发能力。

TCP四次挥手

四次挥手用于安全关闭连接，允许双方独立终止数据传输。

挥手过程

sequenceDiagram participant Client participant Server Client->>Server: FIN=1, seq=u (FIN_WAIT_1) Server->>Client: ACK=1, ack=u+1 (CLOSE_WAIT) Note left of Client: FIN_WAIT_2 Server->>Client: FIN=1, ACK=1, seq=v, ack=u+1 (LAST_ACK) Client->>Server: ACK=1, seq=u+1, ack=v+1 (TIME_WAIT) Note right of Server: CLOSED Note left of Client: After 2MSL → CLOSED

1. 第一次挥手：主动方（如客户端）发送FIN=1（终止标志位）和序列号`seq=u`，进入`FIN_WAIT_1`状态。 2. 第二次挥手：被动方（如服务器）回复ACK=1和确认号`ack=u+1`，进入`CLOSE_WAIT`状态。此时客户端进入`FIN_WAIT_2`状态。 3. 第三次挥手：被动方发送FIN=1和ACK=1，序列号`seq=v`，确认号`ack=u+1`，进入`LAST_ACK`状态。 4. 第四次挥手：主动方回复ACK=1和确认号`ack=v+1`，进入`TIME_WAIT`状态。等待2MSL（最大报文段生存时间）后关闭连接。

为什么是四次？

• TCP是全双工协议，双方需独立关闭通道。
• 被动方可能需要时间处理剩余数据（第二次挥手仅确认，第三次挥手才发送FIN）。

实际案例

网络抓包分析

使用Wireshark捕获的TCP握手数据示例（简化）：

# 三次握手
1. Client → Server: [SYN] Seq=0
2. Server → Client: [SYN, ACK] Seq=0, Ack=1
3. Client → Server: [ACK] Seq=1, Ack=1

# 四次挥手
1. Client → Server: [FIN, ACK] Seq=1, Ack=1
2. Server → Client: [ACK] Seq=1, Ack=2
3. Server → Client: [FIN, ACK] Seq=1, Ack=2
4. Client → Server: [ACK] Seq=2, Ack=2

编程示例（Python socket）

# 服务端
import socket
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
s.bind(('0.0.0.0', 8080))
s.listen(1)
conn, addr = s.accept()  # 三次握手在此完成
conn.close()  # 触发四次挥手

# 客户端
import socket
c = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
c.connect(('127.0.0.1', 8080))  # 发起三次握手
c.close()  # 发起四次挥手

常见问题

1. TIME_WAIT状态的作用？

• 确保最后一个ACK到达对端。
• 避免新旧连接混淆（等待2MSL使网络中残留报文失效）。

2. 握手能改为两次吗？

不能，可能因网络延迟导致连接冲突（如旧的SYN包突然到达）。

3. 挥手时为什么需要ACK和FIN分开发送？

因为被动方可能需要时间处理未发送完的数据（如服务器仍需发送响应）。

数学原理

初始序列号（ISN）的生成算法通常基于时钟和哈希函数，防止预测攻击： $ISN=(t\cdot H(mod{2}^{32}))\oplus (sr{c}_{ip}\oplus ds{t}_{ip}\oplus sr{c}_{port}\oplus ds{t}_{port})$ 其中`t`为时间，`H`为哈希函数。

总结

阶段	目的	关键标志位
三次握手	建立可靠连接	SYN, ACK
四次挥手	安全终止连接	FIN, ACK

理解TCP握手和挥手机制对调试网络问题（如连接超时、端口占用）至关重要。实际开发中，可通过`netstat`命令观察连接状态。