TCP 三次握手 四次挥手

本文详细解析了TCP协议中的三次握手和四次挥手的过程及其背后的原理。重点介绍了三次握手防止已失效的连接请求报文导致资源浪费的问题,以及四次挥手确保连接双方正确关闭连接的重要性。

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为什么需要三次握手

谢希仁版《计算机网络》中的例子是这样的,“已失效的连接请求报文段”的产生在这样一种情况下:client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失,而是在某个网络结点长时间的滞留了,以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。本来这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后,就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。于是就向client发出确认报文段,同意建立连接。假设不采用“三次握手”,那么只要server发出确认,新的连接就建立了。由于现在client并没有发出建立连接的请求,因此不会理睬server的确认,也不会向server发送数据。但server却以为新的运输连接已经建立,并一直等待client发来数据。这样,server的很多资源就白白浪费掉了。采用“三次握手”的办法可以防止上述现象发生。例如刚才那种情况,client不会向server的确认发出确认。server由于收不到确认,就知道client并没有要求建立连接。”主要目的防止server端一直等待,浪费资源。

在tcp连接握手时为何ACK是和SYN一起发送,这里ACK却没有和FIN一起发送。原因是因为tcp是全双工模式,接收到FIN时意味将没有数据再发来,但是还是可以继续发送数据。
握手,挥手过程中各状态介绍:
3次握手过程状态:
LISTEN: 这个也是非常容易理解的一个状态,表示服务器端的某个SOCKET处于监听状态,可以接受连接了。
SYN_SENT: 当客户端SOCKET执行CONNECT连接时,它首先发送SYN报文,因此也随即它会进入到了SYN_SENT状态,并等待服务端的发送三次握手中的第2个报文。SYN_SENT状态表示客户端已发送SYN报文。(发送端)
SYN_RCVD: 这个状态与SYN_SENT遥想呼应这个状态表示接受到了SYN报文,在正常情况下,这个状态是服务器端的SOCKET在建立TCP连接时的三次握手会话过程中的一个中间状态,很短暂,基本上用netstat你是很难看到这种状态的,除非你特意写了一个客户端测试程序,故意将三次TCP握手过程中最后一个 ACK报文不予发送。因此这种状态时,当收到客户端的ACK报文后,它会进入到ESTABLISHED状态。(服务器端)
ESTABLISHED:这个容易理解了,表示连接已经建立了。

总得来说,如下:
(B) –> [SYN] –> (A)

假如服务器A和客户机B通讯. 当A要和B通信时,B首先向A发一个SYN (Synchronize) 标记的包,告诉A请求建立连接.

注意: 一个 SYN包就是仅SYN标记设为1的TCP包(参见TCP包头Resources). 认识到这点很重要,只有当A受到B发来的SYN包,才可建立连接,除此之外别无他法。因此,如果你的防火墙丢弃所有的发往外网接口的SYN包,那么你将不能让外部任何主机主动建立连接。

(B) <– [SYN/ACK] <–(A)

接着,A收到后会发一个对SYN包的确认包(SYN/ACK)回去,表示对第一个SYN包的确认,并继续握手操作。

注意: SYN/ACK包是仅SYN 和 ACK 标记为1的包.。

(B) –> [ACK] –> (A)

B收到SYN/ACK 包,B发一个确认包(ACK),通知A连接已建立。至此,三次握手完成,一个TCP连接完成。

Note: ACK包就是仅ACK 标记设为1的TCP包. 需要注意的是当三此握手完成、连接建立以后,TCP连接的每个包都会设置ACK位

这就是为何连接跟踪很重要的原因了. 没有连接跟踪,防火墙将无法判断收到的ACK包是否属于一个已经建立的连接.一般的包过滤(Ipchains)收到ACK包时,会让它通过(这绝对不是个好主意). 而当状态型防火墙收到此种包时,它会先在连接表中查找是否属于哪个已建连接,否则丢弃该包。

为什么需要四次挥手

这里写图片描述

FIN_WAIT_1: 这个状态要好好解释一下,其实FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_2状态的真正含义都是表示等待对方的FIN报文。而这两种状态的区别是:FIN_WAIT_1状态实际上是当SOCKET在ESTABLISHED状态时,它想主动关闭连接,向对方发送了FIN报文,此时该SOCKET即进入到FIN_WAIT_1状态。而当对方回应ACK报文后,则进入到FIN_WAIT_2状态,当然在实际的正常情况下,无论对方何种情况下,都应该马上回应ACK报文,所以FIN_WAIT_1状态一般是比较难见到的,而FIN_WAIT_2状态还有时常常可以用netstat看到。(主动方)

FIN_WAIT_2:上面已经详细解释了这种状态,实际上FIN_WAIT_2状态下的SOCKET,表示半连接,也即有一方要求close连接,但另外还告诉对方,我暂时还有点数据需要传送给你(ACK信息),稍后再关闭连接。(主动方)

TIME_WAIT: 表示收到了对方的FIN报文,并发送出了ACK报文,就等2MSL后即可回到CLOSED可用状态了。如果FIN_WAIT_1状态下,收到了对方同时带FIN标志和ACK标志的报文时,可以直接进入到TIME_WAIT状态,而无须经过FIN_WAIT_2状态。(主动方)

CLOSING(比较少见): 这种状态比较特殊,实际情况中应该是很少见,属于一种比较罕见的例外状态。正常情况下,当你发送FIN报文后,按理来说是应该先收到(或同时收到)对方的 ACK报文,再收到对方的FIN报文。但是CLOSING状态表示你发送FIN报文后,并没有收到对方的ACK报文,反而却也收到了对方的FIN报文。什么情况下会出现此种情况呢?其实细想一下,也不难得出结论:那就是如果双方几乎在同时close一个SOCKET的话,那么就出现了双方同时发送FIN报文的情况,也即会出现CLOSING状态,表示双方都正在关闭SOCKET连接。

CLOSE_WAIT: 这种状态的含义其实是表示在等待关闭。怎么理解呢?当对方close一个SOCKET后发送FIN报文给自己,你系统毫无疑问地会回应一个ACK报文给对方,此时则进入到CLOSE_WAIT状态。接下来呢,实际上你真正需要考虑的事情是察看你是否还有数据发送给对方,如果没有的话,那么你也就可以 close这个SOCKET,发送FIN报文给对方,也即关闭连接。所以你在CLOSE_WAIT状态下,需要完成的事情是等待你去关闭连接。(被动方)

LAST_ACK: 这个状态还是比较容易好理解的,它是被动关闭一方在发送FIN报文后,最后等待对方的ACK报文。当收到ACK报文后,也即可以进入到CLOSED可用状态了。(被动方)

CLOSED: 表示连接中断。

(B) –> ACK/FIN –> (A)
(B) <– ACK <– (A)
(B) <– ACK/FIN <– (A)
(B) –> ACK –> (A)

注意: 由于TCP连接是双向连接, 因此关闭连接需要在两个方向上做。ACK/FIN 包(ACK 和FIN
标记设为1)通常被认为是FIN(终结)包.然而, 由于连接还没有关闭, FIN包总是打上ACK标记.
没有ACK标记而仅有FIN标记的包不是合法的包,并且通常被认为是恶意的 。


四次握手不是关闭TCP连接的唯一方法. 有时,如果主机需要尽快关闭连接(或连接超时,端口或主机不可达),RST (Reset)包将被发送. 注意在,由于RST包不是TCP连接中的必须部分, 可以只发送RST包(即不带ACK标记). 但在正常的TCP连接中RST包可以带ACK确认标记 。


### TCP 三次握手四次挥手的过程及原理 #### 一、TCP 三次握手过程及原理 TCP 是一种面向连接的可靠传输协议,在数据传输前需要通过三次握手来建立连接。以下是其具体过程: 1. **第一次握手** 客户端向服务器发起连接请求,发送一个带有 SYN 标志位的数据包,并随机生成一个初始序列号 `Seq=x`,此时客户端进入 `SYN_SENT` 状态[^5]。 2. **第二次握手** 服务器收到客户端的 SYN 请求后,返回一个确认消息,该消息同时携带两个标志位:SYN 和 ACK。其中,SYN 表示同意建立连接并随机生成自己的初始序列号 `Seq=y`;ACK 则是对客户端序列号的确认,即 `Ack=x+1`。此时服务器进入 `SYN_RCVD` 状态[^4]。 3. **第三次握手** 客户端收到服务器的响应后,再次发送一个确认消息给服务器,此消息仅带有一个 ACK 标志位,用于确认服务器的序列号,即 `Ack=y+1`。随后,客户端进入 `ESTABLISHED` 状态,而服务器在接收到这个 ACK 后也进入 `ESTABLISHED` 状态,至此完成三次握手[^1]。 通过以上三个步骤,双方不仅建立了连接,还同步了各自的序列号和确认号,从而确保后续通信的可靠性[^3]。 --- #### 二、TCP 四次挥手过程及原理 由于 TCP 协议采用全双工模式工作,因此关闭连接时需分别处理双向通道的释放问题,这通常涉及四个阶段的操作,称为“四次挥手”。 1. **第一次挥手** 主动关闭的一方(通常是客户端)发送 FIN 报文通知对方自己已经没有数据要发送了,同时终止本方向上的数据流。此时,主动关闭方进入 `FIN_WAIT_1` 状态[^2]。 2. **第二次挥手** 被动关闭一方(通常是服务器)收到 FIN 报文后,回应一个 ACK 报文作为确认,设置 `Ack=seq+1`,并将被动关闭方的状态改为 `CLOSE_WAIT`。与此同时,主动关闭方则转变为 `FIN_WAIT_2` 状态[^4]。 3. **第三次挥手** 当被关闭方也没有更多数据待发时,它会再发送一个 FIN 报文告知主动关闭方准备完全断开连接。此时,被动关闭方变为 `LAST_ACK` 状态[^5]。 4. **第四次挥手** 主动关闭方接收到来自被动关闭方的 FIN 报文之后,回复最后一个 ACK 报文予以确认,然后进入 `TIME_WAIT` 状态。经过一段时间延迟(一般为两倍最大分组生存时间 MSL),如果未检测到异常情况,则正式关闭连接并转入 `CLOSED` 状态。同样地,被动关闭方在接受到最终 ACK 报文后立即切换至 `CLOSED` 状态,结束整个流程[^3]。 值得注意的是,“四次挥手”的核心在于允许两端独立管理各自方向上的资源回收,保障任何尚未送达的信息能够得到妥善处理[^2]。 --- ```python # Python模拟TCP三次握手四次挥手逻辑示意 class TCPSession: def __init__(self, client_seq, server_seq): self.client_seq = client_seq self.server_seq = server_seq def three_way_handshake(self): print(f"Client -> Server: SYN Seq={self.client_seq}") self.client_seq += 1 print(f"Server <- Client: SYN+ACK Ack={self.client_seq} Seq={self.server_seq}") self.server_seq += 1 print(f"Client -> Server: ACK Ack={self.server_seq}") def four_way_wavehand(self): print(f"Client -> Server: FIN Seq={self.client_seq}") print(f"Server <- Client: ACK Ack={self.client_seq + 1}") print(f"Server -> Client: FIN Seq={self.server_seq}") print(f"Client <- Server: ACK Ack={self.server_seq + 1}") session = TCPSession(0, 0) print("\n--- Three-Way Handshake ---") session.three_way_handshake() print("\n--- Four-Way Wavehand ---") session.four_way_wavehand() ``` ---
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