TCP 协议中的三次握手和四次挥手

建立 TCP 需要三次握手才能建立,而断开连接则需要四次握手。整个过程如下图所示:
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先来看看如何建立连接的

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首先 Client 端发送连接请求报文,Server 段接受连接后回复 ACK 报文,并为这次连接分配资源。Client 端接收到 ACK 报文后也向 Server 段发生 ACK 报文,并分配资源,这样 TCP 连接就建立了。

那如何断开连接呢?简单的过程如下:

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【注意】中断连接端可以是 Client 端,也可以是 Server 端。

假设 Client 端发起中断连接请求,也就是发送 FIN 报文。Server 端接到 FIN 报文后,意思是说 "我 Client 端没有数据要发给你了",但是如果你还有数据没有发送完成,则不必急着关闭 Socket,可以继续发送数据。所以你先发送 ACK,"告诉 Client 端,你的请求我收到了,但是我还没准备好,请继续你等我的消息"。这个时候 Client 端就进入 FIN_WAIT 状态,继续等待 Server 端的 FIN 报文。当 Server 端确定数据已发送完成,则向 Client 端发送 FIN 报文,"告诉 Client 端,好了,我这边数据发完了,准备好关闭连接了"。Client 端收到 FIN 报文后,"就知道可以关闭连接了,但是他还是不相信网络,怕 Server 端不知道要关闭,所以发送 ACK 后进入 TIME_WAIT 状态,如果 Server 端没有收到 ACK 则可以重传。“,Server 端收到 ACK 后," 就知道可以断开连接了 "。Client 端等待了 2MSL 后依然没有收到回复,则证明 Server 端已正常关闭,那好,我 Client 端也可以关闭连接了。Ok,TCP 连接就这样关闭了!

整个过程 Client 端所经历的状态如下:

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而 Server 端所经历的过程如下:

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【注意】 在 TIME_WAIT 状态中,如果 TCP client 端最后一次发送的 ACK 丢失了,它将重新发送。TIME_WAIT 状态中所需要的时间是依赖于实现方法的。典型的值为 30 秒、1 分钟和 2 分钟。等待之后连接正式关闭,并且所有的资源 (包括端口号) 都被释放。

【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。

【问题 3】 TCP 四次挥手中的 2MSL 是什么?

答:MSL 是 Maximum Segment Lifetime 英文的缩写,中文可以译为“报文最大生存时间”,他是任何报文在网络上存在的最长时间,超过这个时间报文将被丢弃。因为 tcp 报文(segment)是 ip 数据报(datagram)的数据部分,具体称谓请参见《数据在网络各层中的称呼》一文,而 ip 头中有一个 TTL 域,TTL 是 time to live 的缩写,中文可以译为“生存时间”,这个生存时间是由源主机设置初始值但不是存的具体时间,而是存储了一个 ip 数据报可以经过的最大路由数,每经过一个处理他的路由器此值就减 1,当此值为 0 则数据报将被丢弃,同时发送 ICMP 报文通知源主机。RFC 793 中规定 MSL 为 2 分钟,实际应用中常用的是 30 秒,1 分钟和 2 分钟等。
2MSL 即两倍的 MSL,TCP 的 TIME_WAIT 状态也称为 2MSL 等待状态,当 TCP 的一端发起主动关闭,在发出最后一个 ACK 包后,即第 3 次握手完成后发送了第四次握手的 ACK 包后就进入了 TIME_WAIT 状态,必须在此状态上停留两倍的 MSL 时间,等待 2MSL 时间主要目的是怕最后一个 ACK 包对方没收到,那么对方在超时后将重发第三次握手的 FIN 包,主动关闭端接到重发的 FIN 包后可以再发一个 ACK 应答包。在 TIME_WAIT 状态时两端的端口不能使用,要等到 2MSL 时间结束才可继续使用。当连接处于 2MSL 等待阶段时任何迟到的报文段都将被丢弃。不过在实际应用中可以通过设置 SO_REUSEADDR 选项达到不必等待 2MSL 时间结束再使用此端口。
TTL 与 MSL 是有关系的但不是简单的相等的关系,MSL 要大于等于 TTL。

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