TCP的三次握手和四次挥手

TCP的建立连接和断开连接的整体过程如下：

三次握手创建链接

假设Client端发起传输请求。在发送建立链接请求之前，Client端是保持CLOSED状态，Server端最开始也是处于CLOSED状态，当执行listen函数套接字进入被动监听状态。

所谓被动监听，是指当没有客户端请求时，套接字处于“睡眠”状态，只有当接收到客户端请求时，套接字才会被“唤醒”来响应请求。

第一次：C端发送SYN=1的请求报文，序列号seq=i，此时C端进入SYN SENT状态，等待服务器确认。

第二次：S端收到C端发送的SYN报文(建立链接请求)后，S端必须返回确认号并且同时发送一条SYN报文，SYN=1，ACK=1，seq = j， 确认ack = i+1，S端进入SYN RCVD状态。

第三次：C端收到S端发的ACK+SYN报文，需要返回一个应答ACK的报文，ACK =1，seq = i+1，确认ack = j +1，此时该连接会进入半连接状态的队列，当S端收到ACK后，一条完整的全双工TCP链接建立完成，双方进入ESTABLISHED状态。

常见问题

问题1：C端发送的报文丢失没有到达S端会如何？                                                                            C端发送报文之后会启动一个定时器，在超时之后未收到S端的确认，会再次发送SYN请求，每次尝试的时间会是第一次的二倍，如果总的总尝试时间为75秒，此次建立链接失败。

问题2：为啥S端响应时要连带发送SYN报文？
TCP是全双工通信，协议规定当收到建立链接请求后必须返回序列号，同时建立本端到对端的通信链接。这也叫做捎带应答机制。

问题3：如果第二次报文丢失怎么办？
在发送完ACK+SYN报文后会启动一个定时器，超时没有收到ACK确认，会再次发送，会进行多次重试。超时时间依旧每次翻倍，重试次数可设置。修改 /proc/sys/net/ipv4/tcp_synack_retries 的值

问题4：如果第三次报文丢失怎么办？

S端在发出ACK+SYN报文后会启动一个定时器，在超时触发还没收到ACK就确认是丢失了，会重试一次发送。

问题5：为什么需要三次握手建立链接，2次可以么，4次行不行？
这问题问的，面试官是咋了？在这明知故问的，整些有的没的。肯定是不行啊，RFC 标准就是这样写的啊。

可不敢这样回答啊，标准是说的三次握手建立链接，可没说四次不行啊。要是这样答，妥妥的会收到，同学我们今天的面试到此基本结束了，你回家等消息...

为什么不能两次？

如果第二次不发送SYN+ACK，只是发送确认应答消息ACK，会造成只能建立单向通信，而且不能应答。而TCP是全双工通信的，而且必须保证可靠性；如果第二发送SYN+ACK，不用应答。此时会出现三种情况

• 二次握手失败，C端会重复发送SYN报文，等待对端发送确认报文，S端会保存tcp连接的所有资源，大量的这种情况会导致S资源耗尽。
• 二次握手成功，S收不到ACK会重复发送SYN+ACK报文。
• 二次握手完以后，双方以为连接建立成功，即可开始通信。假如此时连接并没有真的建立成功，S端开始发送消息，会造成网络拥堵发生。

为什么不能是四次？

四次其实原则上来说是可以的，就是把第二次的ACK和SYN分两次发送。在理论上是完全可以行得通的，但是TCP本着节约网络网络资源的前提。还有一种是不拆开二次握手的捎带应答，三次握手之后C端继续发送SYN报文，其时这是徒劳的。第三次完成以后链接已经建立，后面无论多少次都是徒劳。

如果双方同时建立连接，会发生什么情况？

TCP同时建立链接能建立成功，这点是肯定的。但是要注意的是：

• 此时只会建立一条全双工的TCP链接，不是两条。
• 双方没有CS之分，两端都是同时承担两个角色，客户端和服务器。

DOS攻击

攻击者伪造一个SYN请求发送给服务端，服务端响应之后，会收不到C端的ACK确认，服务端会不断的重试，默认会重试五次。此时服务端会维持这个链接的所有资源，如果有大量这样的请求，服务端的资源会被耗完这就是DOS攻击。
 

四次挥手断开链接

 

第一次：当C端的应用程序结束数据传输时会向S端发送一个带有FIN附加标记的报文段（FIN即finish），FIN=1，序列号seq =x，此时C端进入FIN_WAIT1状态，C端不能在发送数据到S端。

第二次：S端收到FIN报文会响应一个ACK报文，ACK=1，序列号seq =y，确认ack = x+1，S端进入CLOSE_WAIT状态。进入此状态后S端把剩余未发送的数据发送到C端，C端收到S端的ACK之后，进入FIN_WAIT2状态。

同时继续接受S端传输的其他数据包。

第三次：S端处理完自己待发送的数据之后，也会发送FIN断开链接的请求，FIN=1，序列号seq =m，ACK=1和确认ack = x+1，S端进入LAST_ACK状态。

第四次：C端收到S端的断开链接请求后会启动一个定时器，该定时器时长是2MSL(最大段报文生存时间)，同时发送最后一次ACK报文，ACK=1，序列号seq =x+1，确认ack = m+1

为什么要四次挥手？

TCP是全双工的通信机制，每个方向必须单独进行关闭。TCP传输连接关闭的原则如下：

当一端完成它的数据发送任务后就可以发送一个FIN字段置1的数据段来终止这个方向的数据发送；当另一端收到这个FIN数据段后，必须通知它的应用层对端已经终止了那个方向的数据传送。

为什么不能用三次握手中捎带应答机制减少一次握手？

TCP是全双工通信的，S收到断开链接请求后只是表示C端不会传输数据到S端了，但是并不表示S端不传输数据到C端。如果采用捎带应答，S端将无法把剩余的数据传输到C端。

为何最后一次ACK之后需要等待2MSL的时间？

网络是不可靠的，TCP是可靠协议，必须保证最后一次报文送达之后才能断开链接，否则会再次收到S端的FIN报文信息。而等待2MSL时间就是为了保证最后最后一次报文丢失时还能重新发送。2MSL是报文一个往返的最长时间，假设小于这个时间会发生，ACK丢了，但是还没接收到对方重传的FIN我方就重新发送了ACK。

如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？

这个不难TCP自己做了保证，TCP默认有个定时器，每次收到客户端的请求后会把定时器设置好，通常设置两小时，超过两小时还没收到数据。服务端会发送一个探测报文，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。

TCP的报文格式

 

TCP报文格式主要分为TCP首部和TCP报文的数据部分，其中首部有20字节的固定长度，含义如下：

• 源端口和目的端口：各2字节，就是存储源端口号和目的端口的
• 序号seq：4字节，表示的范围就是整形的范围[0~2^32]。序号使用在给数据部分每个字节进行编号的，编号方式是mod 2^32 。
• 确认号ack：4字节，范围也是无符号整数的范围。使用在对端传输给我的数据最后一个字节序号，例如A传输给B 101—500，此时B返回的确认号一定是小于等于501的。当B段正确接收数据之后才会返回确认号，换句话说确认号之前的数据已经全部接收。
• 数据偏移：4bit，数据偏移很多人很容易想到是不是表示数据的长度，那就错了。偏移嘛，指的是TCP起始位置到数据部分的起始位置的偏移，也就是TCP首部的长度。
• 保留：6bit，保留字段顾名思义，就是为今后使用，默认置为0。
• 紧急URG控制位：1bit，URG=1，表示紧急指针有效，此时tcp数据优先传输。相当于生活中的紧急通道，特殊情况时使用。
• 确认ACK：1bit，当ACK=1时生效。TCP有条硬性规定，当建立链接成功后所有传输的数据报文都必须把ACK置为1。
• 推送PSH：1bit，发送方把PSH置为1时 会立即发送该数据包，接收方收到PSH=1的报文会立即处理交付给应用层处理。是不是感觉和URG很像，其实还是有些区别的。

两者相同点：
URG与PSH两者都使用于紧急处理的情况，用来快速传输紧急数据。

两者不同点
URG置为1时，对于发送发，“带外数据”与正常情况下应该发送的消息数据一起，封装成数据报发送，省去了在队列中等待的时间。 在接收方，解析报文后，获取数据之后还是要放在缓存区中，等待满了之后在向上往应用层交付。

PSH置为1时，对于发送方，表明这些数据不需要等向下发送的缓存区满，立刻封装成报文，发送，省去了等待发送缓存区到达满的状态的时间。 在接收方，也不需要等接受缓存区满，直接向上交付给应用层。

• 复位RST：1bit，当RST＝1时，TCP会主动释放链接，两种情况会用上。TCP出现严重差错时，会主动释放连接，重建链接，传输数据。遇到非法报文或者拒绝连接时会把RST置为1.
• 同步SYN：1bit，同步控制位，用来在传输连接建立时同步传输连接序号。
• SYN=1时，表示这是一个连接请求或连接确认报文。SYN=1，ACK=0，表明这是一个连接请求数据段，如果对方同意建立连接，则对方会返回一个SYN=1、ACK=1的确认。
• FIN控制位：1bit，用于释放一个传输连接。FIN=1时，表示数据已全部传输完成，发送端没有数据要传输了，要求释放当前连接，但是接收端仍然可以继续接收还没有接收完的数据。FIN=0，正常传输数据。
• 窗口大小：16bit，2byte，用于表示发送方可以接受的最大数据大小。该窗口是动态变化的，用作流量控制时使用。
• 检验和：16bit，2byte，用于对TCP头部，伪头部，数据三个部分进行校验。
• 紧急指针：16bit，2byte，用于记录紧急数据的末尾在数据段中的位置。当URG=1时，该指针才生效。
• 可选项：可选项最长可达40byte，是可选的，可以没有。当可选项不存在时，TCP头部长度为20byte。可选项可以包括窗口缩放选项（Window ScaleOption,WSopt）、MSS（最大数据段大小）选项、SACK（选择性确认）选项、时间戳（Timestamp）选项等。
• 数据：TCP数据部分，由应用层应用程序提交的数据。