TCP 三次握手和四次挥手（传输层）

TCP 是一种面向连接的、可靠的传输层协议。为了在两个不可靠的端点之间建立一个可靠的连接，TCP 采用了三次握手（Three-way Handshake）的策略。

建立连接-TCP 三次握手

建立一个 TCP 连接需要“三次握手”，缺一不可：

1. 第一次握手 (SYN): 客户端向服务端发送一个 SYN（Synchronize Sequence Numbers）报文段，其中包含一个由客户端随机生成的初始序列号（Initial Sequence Number, ISN），例如 seq=x。发送后，客户端进入 SYN_SEND 状态，等待服务端的确认。
2. 第二次握手 (SYN+ACK): 服务端收到 SYN 报文段后，如果同意建立连接，会向客户端回复一个确认报文段。该报文段包含两个关键信息：
   • SYN：服务端也需要同步自己的初始序列号，因此报文段中也包含一个由服务端随机生成的初始序列号，例如 seq=y。
   • ACK (Acknowledgement)：用于确认收到了客户端的请求。其确认号被设置为客户端初始序列号加一，即 ack=x+1。
   • 发送该报文段后，服务端进入 SYN_RECV 状态。
3. 第三次握手 (ACK): 客户端收到服务端的 SYN+ACK 报文段后，会向服务端发送一个最终的确认报文段。该报文段包含确认号 ack=y+1。发送后，客户端进入 ESTABLISHED 状态。服务端收到这个 ACK 报文段后，也进入 ESTABLISHED 状态。

至此，双方都确认了连接的建立，TCP 连接成功创建，可以开始进行双向数据传输。

什么是半连接队列和全连接队列？

在 TCP 三次握手过程中，服务端内核会使用两个队列来管理连接请求：

1. 半连接队列（也称 SYN Queue）：当服务端收到客户端的 SYN 请求并回复 SYN+ACK 后，连接会处于 SYN_RECV 状态。此时，这个连接信息会被放入半连接队列。这个队列存储的是尚未完成三次握手的连接。
2. 全连接队列（也称 Accept Queue）：当服务端收到客户端对 ACK 响应时，意味着三次握手成功完成，服务端会将该连接从半连接队列移动到全连接队列。如果未收到客户端的 ACK 响应，会进行重传，重传的等待时间通常是指数增长的。如果重传次数超过系统规定的最大重传次数，系统将从半连接队列中删除该连接信息。

这两个队列的存在是为了处理并发连接请求，确保服务端能够有效地管理新的连接请求。

如果全连接队列满了，新的已完成握手的连接可能会被丢弃，或者触发其他策略。这两个队列的大小都受系统参数控制，它们的容量限制是影响服务器处理高并发连接能力的重要因素，也是 SYN 泛洪攻击（SYN Flood）所针对的目标。

为什么要三次握手?

TCP 三次握手的核心目的是为了在客户端和服务器之间建立一个可靠的、全双工的通信信道。这需要实现两个主要目标：

1. 确认双方的收发能力，并同步初始序列号 (ISN)

TCP 通信依赖序列号来保证数据的有序和可靠。三次握手是双方交换和确认彼此初始序列号（ISN）的过程，通过这个过程，双方也间接验证了各自的收发能力。

• 第一次握手 (客户端 → 服务器) ：客户端发送 SYN 包。
  • 服务器：能确认客户端的发送能力正常，自己的接收能力正常。
  • 客户端：无法确认任何事。
• 第二次握手 (服务器 → 客户端) ：服务器回复 SYN+ACK 包。
  • 客户端：能确认自己的发送和接收能力正常，服务器的接收和发送能力正常。
  • 服务端：能确认对方发送能力正常，自己接收能力正常
• 第三次握手 (客户端 → 服务器) ：客户端发送 ACK 包。
  • 客户端：能确认双方发送和接收能力正常。
  • 服务端：能确认双方发送和接收能力正常。

经过这三次交互，双方都确认了彼此的收发功能完好，并完成了初始序列号的同步，为后续可靠的数据传输奠定了基础。

2. 防止已失效的连接请求被错误地建立

这是“为什么不能是两次握手”的关键原因。

设想一个场景：客户端发送的第一个连接请求（SYN1）因网络延迟而滞留，于是客户端重发了第二个请求（SYN2）并成功建立了连接，数据传输完毕后连接被释放。此时，延迟的 SYN1 才到达服务端。

• 如果是两次握手：服务端收到这个失效的 SYN1 后，会误认为是一个新的连接请求，并立即分配资源、建立连接。但这将导致服务端单方面维持一个无效连接，白白浪费系统资源，因为客户端并不会有任何响应。
• 有了第三次握手：服务端收到失效的 SYN1 并回复 SYN+ACK 后，会等待客户端的最终确认（ACK）。由于客户端当前并没有发起连接的意图，它会忽略这个 SYN+ACK 或者发送一个 RST (Reset) 报文。这样，服务端就无法收到第三次握手的 ACK，最终会超时关闭这个错误的连接，从而避免了资源浪费。

因此，三次握手是确保 TCP 连接可靠性的最小且必需的步骤。它不仅确认了双方的通信能力，更重要的是增加了一个最终确认环节，以防止网络中延迟、重复的历史请求对连接建立造成干扰。

第 2 次握手传回了 ACK，为什么还要传回 SYN？

服务端传回发送端所发送的 ACK 是为了告诉客户端：“我接收到的信息确实就是你所发送的信号了”，这表明从客户端到服务端的通信是正常的。回传 SYN 则是为了建立并确认从服务端到客户端的通信。

SYN 同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers) 是 TCP/IP 建立连接时使用的握手信号。在客户机和服务端之间建立正常的 TCP 网络连接时，客户机首先发出一个 SYN 消息，服务端使用 SYN-ACK 应答表示接收到了这个消息，最后客户机再以 ACK(Acknowledgement）消息响应。这样在客户机和服务端之间才能建立起可靠的 TCP 连接，数据才可以在客户机和服务端之间传递。

三次握手过程中可以携带数据吗？

在 TCP 三次握手过程中，第三次握手是可以携带数据的(客户端发送完 ACK 确认包之后就进入 ESTABLISHED 状态了)，这一点在 RFC 793 文档中有提到。也就是说，一旦完成了前两次握手，TCP 协议允许数据在第三次握手时开始传输。

如果第三次握手的 ACK 确认包丢失，但是客户端已经开始发送携带数据的包，那么服务端在收到这个携带数据的包时，如果该包中包含了 ACK 标记，服务端会将其视为有效的第三次握手确认。这样，连接就被认为是建立的，服务端会处理该数据包，并继续正常的数据传输流程。

断开连接-TCP 四次挥手

断开一个 TCP 连接则需要“四次挥手”，缺一不可：

1. 第一次挥手 (FIN):当客户端（或任何一方）决定关闭连接时，它会向服务端发送一个 FIN（Finish）标志的报文段，表示自己已经没有数据要发送了。该报文段包含一个序列号 seq=u。发送后，客户端进入 FIN-WAIT-1 状态。
2. 第二次挥手 (ACK):服务端收到 FIN 报文段后，会立即回复一个 ACK 确认报文段。其确认号为 ack=u+1。发送后，服务端进入 CLOSE-WAIT 状态。客户端收到这个 ACK 后，进入 FIN-WAIT-2 状态。此时，TCP 连接处于**半关闭（Half-Close）**状态：客户端到服务端的发送通道已关闭，但服务端到客户端的发送通道仍然可以传输数据。
3. 第三次挥手 (FIN):当服务端确认所有待发送的数据都已发送完毕后，它也会向客户端发送一个 FIN 报文段，表示自己也准备关闭连接。该报文段同样包含一个序列号 seq=y。发送后，服务端进入 LAST-ACK 状态，等待客户端的最终确认。
4. 第四次挥手:客户端收到服务端的 FIN 报文段后，会回复一个最终的 ACK 确认报文段，确认号为 ack=y+1。发送后，客户端进入 TIME-WAIT 状态。服务端在收到这个 ACK 后，立即进入 CLOSED 状态，完成连接关闭。客户端则会在 TIME-WAIT 状态下等待 2MSL（Maximum Segment Lifetime，报文段最大生存时间）后，才最终进入 CLOSED 状态。

只要四次挥手没有结束，客户端和服务端就可以继续传输数据！

为什么要四次挥手？

TCP 是全双工通信，可以双向传输数据。任何一方都可以在数据传送结束后发出连接释放的通知，待对方确认后进入半关闭状态。当另一方也没有数据再发送的时候，则发出连接释放通知，对方确认后就完全关闭了 TCP 连接。

举个例子：A 和 B 打电话，通话即将结束后。

1. 第一次挥手：A 说“我没啥要说的了”
2. 第二次挥手：B 回答“我知道了”，但是 B 可能还会有要说的话，A 不能要求 B 跟着自己的节奏结束通话
3. 第三次挥手：于是 B 可能又巴拉巴拉说了一通，最后 B 说“我说完了”
4. 第四次挥手：A 回答“知道了”，这样通话才算结束。

为什么不能把服务端发送的 ACK 和 FIN 合并起来，变成三次挥手？

因为服务端收到客户端断开连接的请求时，可能还有一些数据没有发完，这时先回复 ACK，表示接收到了断开连接的请求。等到数据发完之后再发 FIN，断开服务端到客户端的数据传送。

如果第二次挥手时服务端的 ACK 没有送达客户端，会怎样？

客户端在发送 FIN 后会启动一个重传计时器。如果在计时器超时之前没有收到服务端的 ACK，客户端会认为 FIN 报文丢失，并重新发送 FIN 报文。

为什么第四次挥手客户端需要等待 2*MSL（报文段最长寿命）时间后才进入 CLOSED 状态？

第四次挥手时，客户端发送给服务端的 ACK 有可能丢失，如果服务端因为某些原因而没有收到 ACK 的话，服务端就会重发 FIN，如果客户端在 2*MSL 的时间内收到了 FIN，就会重新发送 ACK 并再次等待 2MSL，防止 Server 没有收到 ACK 而不断重发 FIN。

MSL(Maximum Segment Lifetime) : 一个片段在网络中最大的存活时间，2MSL 就是一个发送和一个回复所需的最大时间。如果直到 2MSL，Client 都没有再次收到 FIN，那么 Client 推断 ACK 已经被成功接收，则结束 TCP 连接。

参考

• 《计算机网络（第 7 版）》

• 《图解 HTTP》

• TCP and UDP Tutorial：https://www.9tut.com/tcp-and-udp-tutorial

• 从一次线上问题说起，详解 TCP 半连接队列、全连接队列：https://mp.weixin.qq.com/s/YpSlU1yaowTs-pF6R43hMw