【网络】TCP的三次握手和四次挥手
1.TCP的协议段格式
***seq：32位，用来标记数据段的顺序，TCP把连接中发送的所有数据字节都编上一个序号，第一个字节的编号由本地随机产生；给字节编上序号后，就给每一个报文段指派一个序号；***seq就是这个报文段中的第一个字节的数据编号。就是用来标识从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。
确认序号ack：32位，期待对方下一个报文段的第一个数据字节的序号，列号表示报文段携带数据的第一个字节的编号；而确认号指的是期望接收到下一个字节的编号；因此当前报文段最后一个字节的编号+1即为确认号。
6个标志位：
- URG：紧急指针是否有效，为1，表示某一位需要被优先处理；
- ACK：确认号是否有效，仅当ACK=1时，确认号字段才有效，ACK=0，确认号无效
- PSH：提示接收端应用程序立刻从TCP缓冲区把数据读走
- RST：对方要求重新建立连接；
- SYN：连接建立时用于同步序号。当SYN=1，ACK=0时表示：这是一个连接请求报文段。若同意连接，则在响应报文段中使得SYN=1，ACK=1。因此，SYN=1表示这是一个连接请求，或连接接受报文。SYN这个标志位只有在TCP建立连接时才会被置1，握手完成后SYN标志位被置0。
- FIN：通知对方，本段要关闭了，释放一个连接，FIN=1表示：此报文段的发送方的数据已经发送完毕，并要求释放运输连接。
说明：ACK、AYN和FIN这些大写的字母表示标志位，其值要么是1，要么是0,；ack,seq小写的表示序号；
2.三次握手
三次握手最主要的目的是保证连接是双工的，可靠更多的是通过重传机制来保证的。
所谓三次握手，及建立TCP连接，需要客户端和服务端总共发送至少三个确认连接的的建立。
- 第一次握手：建立连接时，客户端将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=x，并将该数据包送给服务端，进入SYN_SENT状态，等待服务器确认；SYN：同步序列编号（Synchronize Sequence Numbers）。
- 第二次握手：服务器收到数据包后由标志位SYN=1知道客户请求建立连接，服务器将标志位都置为1，ack=x+1,随机产生一个值seq=y，并将该数据包发送给客户端以确认连接请求，此时服务器进入SYN_RECV状态；
- 第三次握手：客户端收到确认后，检查ack是否为x+1,ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=y+1，并将该数据包发送给服务器，服务器检查ack是否为y+1，如果正确则建立成功，客户端和服务器进入ESTABLISHED（TCP连接成功）状态，完成三次握手，随后客户端和服务器之间可以开始传输数据了。
三次握手过程分析：
第一次握手：客户端发送请求到服务器（客户端什么都不能确认），服务器确认客户端发送，自己接受正常SYN=1，seq=x；
第二次握手：服务器发给客户端
客户端确认：自己发送/接受正常，对方发送/接受正常；
服务器确认：自己接受正常，对方发送正常；
ACK=1,ack=x+1,SYN=1，seq=y
第三次握手：客户端发给服务器
服务器确认：自己发送/接受正常，对方发送/接受正常；
客户端确认：自己发送/接受正常，对方发送/接受正常；
ACK=1,ack=y+1,seq=x+1
这也是为什么建立连接是三次握手，而不是四次（通过三次握手确认双方功能都正常，四次也可以但是显得比较多余）
3.四次挥手
所谓四次挥手，既终止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，流程如下图：
由于TCP连接时全双工的，因此，每个方向都必须要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，既不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭；
- 第一次挥手：客户端发出释放FIN=1，自己***seq=u，进入FIN-WAIT-1状态；（TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号）
- 第二次挥手：服务器收到客户端发送的结果后，发出ACK=1,确认标志和客户端的确认号ack=u+1，自己的***seq=v，进入CLOSE_WAIT状态；（TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，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：客户端收到服务器确认结果后，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）。服务器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=1，确认标志ACK=1,确认序号ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能在发送一些数据，假定此时的序号seq=w，服务器进入LAST_ACK状态，等待客户端的确认；
- 第四次挥手：客户端收到回复后，发送确认ACK=1,ack=w+1，自己的seq=u+1，客户端进入TIME-WAIT（时间等待）。客户端经过2个最长报文段寿命后，客户端CLOSE；服务器收到确认后，立刻进入CLOSE状态；可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些；
四次挥手过程分析：
第一次：客户端请求断开FIN，seq=u；
第二次：服务器确认客户端的断开请求ACK，ack=u+1，seq=v；
第三次：服务器请求断开FIN，seq=w,ACK,ack=u+1；
第四次：客户端确认服务器的断开ACK，ack=w+1,seq=u+1；
4.常见题目
【问题1】为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手？
答：因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，"你发的FIN报文我收到了"。只有等到我Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。
【问题2】为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态？
答：虽然按道理，四个报文都发送完毕，我们可以直接进入CLOSE状态了，但是我们必须假象网络是不可靠的，有可以最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。在Client发送出最后的ACK回复，但该ACK可能丢失。Server如果没有收到ACK，将不断重复发送FIN片段。所以Client不能立即关闭，它必须确认Server接收到了该ACK。Client会在发送出ACK之后进入到TIME_WAIT状态。Client会设置一个计时器，等待2MSL的时间。如果在该时间内再次收到FIN，那么Client会重发ACK并再次等待2MSL。所谓的2MSL是两倍的MSL(Maximum Segment Lifetime)。MSL指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。
【问题3】为什么不能用两次握手进行连接？
答：3次握手完成两个重要的功能，既要双方做好发送数据的准备工作(双方都知道彼此已准备好)，也要允许双方就初始***进行协商，这个***在握手过程中被发送和确认。
现在把三次握手改成仅需要两次握手，死锁是可能发生的。作为例子，考虑计算机S和C之间的通信，假定C给S发送一个连接请求分组，S收到了这个分组，并发 送了确认应答分组。按照两次握手的协定，S认为连接已经成功地建立了，可以开始发送数据分组。可是，C在S的应答分组在传输中被丢失的情况下，将不知道S 是否已准备好，不知道S建立什么样的***，C甚至怀疑S是否收到自己的连接请求分组。在这种情况下，C认为连接还未建立成功，将忽略S发来的任何数据分 组，只等待连接确认应答分组。而S在发出的分组超时后，重复发送同样的分组。这样就形成了死锁。第三次握手看似多余其实不然，这主要是为了放置已失效的请求报文段突然又传送到了服务端而产生连接的误判。
【问题4】如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？
TCP还设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75秒钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。
题目答案参考文章：https://blog.****.net/qq_38950316/article/details/81087809