簡析TCP的三次握手與四次分手

TCP是什麼？

具體的關於TCP是什麼，我不打算詳細的說了；當你看到這篇文章時，我想你也知道TCP的概念了，想要更深入的瞭解TCP的工作，我們就繼續。它只是一個超級麻煩的協議，而它又是網際網路的基礎，也是每個程式設計師必備的基本功。首先來看看OSI的七層模型：

我們需要知道TCP工作在網路OSI的七層模型中的第四層——Transport層，IP在第三層——Network層，ARP在第二層——Data Link層；在第二層上的資料，我們把它叫Frame，在第三層上的資料叫Packet，第四層的資料叫Segment。 同時，我們需要簡單的知道，資料從應用層發下來，會在每一層都會加上頭部資訊，進行封裝，然後再傳送到資料接收端。這個基本的流程你需要知道，就是每個資料都會經過資料的封裝和解封裝的過程。 在OSI七層模型中，每一層的作用和對應的協議如下：

TCP是一個協議，那這個協議是如何定義的，它的資料格式是什麼樣子的呢？要進行更深層次的剖析，就需要了解，甚至是熟記TCP協議中每個欄位的含義。哦，來吧。

上面就是TCP協議頭部的格式，由於它太重要了，是理解其它內容的基礎，下面就將每個欄位的資訊都詳細的說明一下。

• Source Port和Destination Port:分別佔用16位，表示源埠號和目的埠號；用於區別主機中的不同程式，而IP地址是用來區分不同的主機的，源埠號和目的埠號配合上IP首部中的源IP地址和目的IP地址就能唯一的確定一個TCP連線；
• Sequence Number:用來標識從TCP發端向TCP收端傳送的資料位元組流，它表示在這個報文段中的的第一個資料位元組在資料流中的序號；主要用來解決網路報亂序的問題；
• Acknowledgment Number:32位確認序列號包含傳送確認的一端所期望收到的下一個序號，因此，確認序號應當是上次已成功收到資料位元組序號加1。不過，只有當標誌位中的ACK標誌（下面介紹）為1時該確認序列號的欄位才有效。主要用來解決不丟包的問題；
• Offset:給出首部中32 bit字的數目，需要這個值是因為任選欄位的長度是可變的。這個欄位佔4bit（最多能表示15個32bit的的字，即4*15=60個位元組的首部長度），因此TCP最多有60位元組的首部。然而，沒有任選欄位，正常的長度是20位元組；
• TCP Flags:TCP首部中有6個標誌位元，它們中的多個可同時被設定為1，主要是用於操控TCP的狀態機的，依次為URG，ACK，PSH，RST，SYN，FIN。每個標誌位的意思如下：
  • URG：此標誌表示TCP包的緊急指標域（後面馬上就要說到）有效，用來保證TCP連線不被中斷，並且督促中間層裝置要儘快處理這些資料；
  • ACK：此標誌表示應答域有效，就是說前面所說的TCP應答號將會包含在TCP資料包中；有兩個取值：0和1，為1的時候表示應答域有效，反之為0；
  • PSH：這個標誌位表示Push操作。所謂Push操作就是指在資料包到達接收端以後，立即傳送給應用程式，而不是在緩衝區中排隊；
  • RST：這個標誌表示連線復位請求。用來複位那些產生錯誤的連線，也被用來拒絕錯誤和非法的資料包；
  • SYN：表示同步序號，用來建立連線。SYN標誌位和ACK標誌位搭配使用，當連線請求的時候，SYN=1，ACK=0；連線被響應的時候，SYN=1，ACK=1；這個標誌的資料包經常被用來進行埠掃描。掃描者傳送一個只有SYN的資料包，如果對方主機響應了一個資料包回來 ，就表明這臺主機存在這個埠；但是由於這種掃描方式只是進行TCP三次握手的第一次握手，因此這種掃描的成功表示被掃描的機器不很安全，一臺安全的主機將會強制要求一個連線嚴格的進行TCP的三次握手；
  • FIN： 表示傳送端已經達到資料末尾，也就是說雙方的資料傳送完成，沒有資料可以傳送了，傳送FIN標誌位的TCP資料包後，連線將被斷開。這個標誌的資料包也經常被用於進行埠掃描。
• Window:視窗大小，也就是有名的滑動視窗，用來進行流量控制；這是一個複雜的問題，這篇博文中並不會進行總結的；

好了，基本知識都已經準備好了，開始下一段的征程吧。

三次握手又是什麼？

TCP是面向連線的，無論哪一方向另一方傳送資料之前，都必須先在雙方之間建立一條連線。在TCP/IP協議中，TCP協議提供可靠的連線服務，連線是通過三次握手進行初始化的。三次握手的目的是同步連線雙方的序列號和確認號並交換 TCP視窗大小資訊。這就是面試中經常會被問到的TCP三次握手。只是瞭解TCP三次握手的概念，對你獲得一份工作是沒有任何幫助的，你需要去了解TCP三次握手中的一些細節。先來看圖說話。

多麼清晰的一張圖，當然了，也不是我畫的，我也只是引用過來說明問題了。

1. 第一次握手：建立連線。客戶端傳送連線請求報文段，將SYN位置為1，Sequence Number為x；然後，客戶端進入SYN_SEND狀態，等待伺服器的確認；
2. 第二次握手：伺服器收到SYN報文段。伺服器收到客戶端的SYN報文段，需要對這個SYN報文段進行確認，設定Acknowledgment Number為x+1(Sequence Number+1)；同時，自己自己還要傳送SYN請求資訊，將SYN位置為1，Sequence Number為y；伺服器端將上述所有資訊放到一個報文段（即SYN+ACK報文段）中，一併傳送給客戶端，此時伺服器進入SYN_RECV狀態；
3. 第三次握手：客戶端收到伺服器的SYN+ACK報文段。然後將Acknowledgment Number設定為y+1，向伺服器傳送ACK報文段，這個報文段傳送完畢以後，客戶端和伺服器端都進入ESTABLISHED狀態，完成TCP三次握手。

完成了三次握手，客戶端和伺服器端就可以開始傳送資料。以上就是TCP三次握手的總體介紹。

那四次分手呢？

當客戶端和伺服器通過三次握手建立了TCP連線以後，當資料傳送完畢，肯定是要斷開TCP連線的啊。那對於TCP的斷開連線，這裡就有了神祕的“四次分手”。

1. 第一次分手：主機1（可以使客戶端，也可以是伺服器端），設定Sequence Number和Acknowledgment Number，向主機2傳送一個FIN報文段；此時，主機1進入FIN_WAIT_1狀態；這表示主機1沒有資料要傳送給主機2了；
2. 第二次分手：主機2收到了主機1傳送的FIN報文段，向主機1回一個ACK報文段，Acknowledgment Number為Sequence Number加1；主機1進入FIN_WAIT_2狀態；主機2告訴主機1，我也沒有資料要傳送了，可以進行關閉連線了；
3. 第三次分手：主機2向主機1傳送FIN報文段，請求關閉連線，同時主機2進入CLOSE_WAIT狀態；
4. 第四次分手：主機1收到主機2傳送的FIN報文段，向主機2傳送ACK報文段，然後主機1進入TIME_WAIT狀態；主機2收到主機1的ACK報文段以後，就關閉連線；此時，主機1等待2MSL後依然沒有收到回覆，則證明Server端已正常關閉，那好，主機1也可以關閉連線了。

至此，TCP的四次分手就這麼愉快的完成了。當你看到這裡，你的腦子裡會有很多的疑問，很多的不懂，感覺很凌亂；沒事，我們繼續總結。

為什麼要三次握手

既然總結了TCP的三次握手，那為什麼非要三次呢？怎麼覺得兩次就可以完成了。那TCP為什麼非要進行三次連線呢？在謝希仁的《計算機網路》中是這樣說的：

為了防止已失效的連線請求報文段突然又傳送到了服務端，因而產生錯誤。

在書中同時舉了一個例子，如下：

“已失效的連線請求報文段”的產生在這樣一種情況下：client發出的第一個連線請求報文段並沒有丟失，而是在某個網路結點長時間的滯留了，以致延誤到連線釋放以後的某個時間才到達server。本來這是一個早已失效的報文段。但server收到此失效的連線請求報文段後，就誤認為是client再次發出的一個新的連線請求。於是就向client發出確認報文段，同意建立連線。假設不採用“三次握手”，那麼只要server發出確認，新的連線就建立了。由於現在client並沒有發出建立連線的請求，因此不會理睬server的確認，也不會向server傳送資料。但server卻以為新的運輸連線已經建立，並一直等待client發來資料。這樣，server的很多資源就白白浪費掉了。採用“三次握手”的辦法可以防止上述現象發生。例如剛才那種情況，client不會向server的確認發出確認。server由於收不到確認，就知道client並沒有要求建立連線。”

這就很明白了，防止了伺服器端的一直等待而浪費資源。

為什麼要四次分手

那四次分手又是為何呢？TCP協議是一種面向連線的、可靠的、基於位元組流的運輸層通訊協議。TCP是全雙工模式，這就意味著，當主機1發出FIN報文段時，只是表示主機1已經沒有資料要傳送了，主機1告訴主機2，它的資料已經全部傳送完畢了；但是，這個時候主機1還是可以接受來自主機2的資料；當主機2返回ACK報文段時，表示它已經知道主機1沒有資料傳送了，但是主機2還是可以傳送資料到主機1的；當主機2也傳送了FIN報文段時，這個時候就表示主機2也沒有資料要傳送了，就會告訴主機1，我也沒有資料要傳送了，之後彼此就會愉快的中斷這次TCP連線。如果要正確的理解四次分手的原理，就需要了解四次分手過程中的狀態變化。

• FIN_WAIT_1: 這個狀態要好好解釋一下，其實FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_2狀態的真正含義都是表示等待對方的FIN報文。而這兩種狀態的區別是：FIN_WAIT_1狀態實際上是當SOCKET在ESTABLISHED狀態時，它想主動關閉連線，向對方傳送了FIN報文，此時該SOCKET即進入到FIN_WAIT_1狀態。而當對方回應ACK報文後，則進入到FIN_WAIT_2狀態，當然在實際的正常情況下，無論對方何種情況下，都應該馬上回應ACK報文，所以FIN_WAIT_1狀態一般是比較難見到的，而FIN_WAIT_2狀態還有時常常可以用netstat看到。（主動方）
• FIN_WAIT_2：上面已經詳細解釋了這種狀態，實際上FIN_WAIT_2狀態下的SOCKET，表示半連線，也即有一方要求close連線，但另外還告訴對方，我暫時還有點資料需要傳送給你(ACK資訊)，稍後再關閉連線。（主動方）
• CLOSE_WAIT：這種狀態的含義其實是表示在等待關閉。怎麼理解呢？當對方close一個SOCKET後傳送FIN報文給自己，你係統毫無疑問地會回應一個ACK報文給對方，此時則進入到CLOSE_WAIT狀態。接下來呢，實際上你真正需要考慮的事情是察看你是否還有資料傳送給對方，如果沒有的話，那麼你也就可以 close這個SOCKET，傳送FIN報文給對方，也即關閉連線。所以你在CLOSE_WAIT狀態下，需要完成的事情是等待你去關閉連線。（被動方）
• LAST_ACK: 這個狀態還是比較容易好理解的，它是被動關閉一方在傳送FIN報文後，最後等待對方的ACK報文。當收到ACK報文後，也即可以進入到CLOSED可用狀態了。（被動方）
• TIME_WAIT: 表示收到了對方的FIN報文，併傳送出了ACK報文，就等2MSL後即可回到CLOSED可用狀態了。如果FINWAIT1狀態下，收到了對方同時帶FIN標誌和ACK標誌的報文時，可以直接進入到TIME_WAIT狀態，而無須經過FIN_WAIT_2狀態。（主動方）
• CLOSED: 表示連線中斷。

我想你應該懂了

總結到這裡，也該結束了，但是對於TCP的學習遠還沒有結束。TCP是一個非常複雜的協議，這裡稍微總結了一下TCP的連線與斷開連線是發生的事情，其中還有很多的“坑”，讓我們後續有時間再繼續填吧。好了，完畢！