TCP 连接管理：深入分析四次握手与三次挥手
TCP 连接管理：深入分析四次握手与三次挥手
一、TCP 连接建立：四次握手（Four-Way Handshake）
核心目标：可靠地协商初始序列号（ISN），确保双方具备双向通信能力，防止历史连接混淆。
工作流程与报文详解：
-
SYN（Client → Server）
- 标志位：
SYN=1,ACK=0 - 序列号（Seq）：随机值
X（Client ISN） - 作用：请求建立连接，声明初始序列号。
- 标志位：
-
SYN-ACK（Server → Client）
- 标志位：
SYN=1,ACK=1 - 序列号（Seq）：随机值
Y（Server ISN） - 确认号（Ack）：
X+1（确认收到Client的SYN） - 作用：同意建立连接，提供自身ISN，确认客户端SYN。
- 标志位：
-
ACK（Client → Server）
- 标志位：
ACK=1 - 序列号（Seq）：
X+1（延续Client序列号） - 确认号（Ack）：
Y+1（确认收到Server的SYN） - 作用：确认服务端的SYN，连接正式建立。
- 标志位：
-
（可选）ACK + Data
- 实际中，此报文常携带应用层数据（如HTTP请求）。
为什么需要四次握手？
- 两次握手缺陷：若失效的SYN（因延迟超时）到达服务端，服务端会错误建立连接。
- 三次握手解决：Client通过第三次ACK拒绝历史连接（若收到旧SYN的ACK，则发送RST重置）。
内核实现关键点：
- 半连接队列（SYN Queue）：存储收到SYN但未完成握手的连接。
- 全连接队列（Accept Queue）：存储完成握手等待
accept()的连接。 - SYN Flood防御：使用
SYN Cookies（如Linux）避免资源耗尽。
二、TCP 连接终止：三次挥手（Three-Way Handshake）
核心目标：双方独立关闭双向数据流，确保数据完整传输。
工作流程与报文详解：
-
FIN（主动关闭方 → 被动方）
- 标志位：
FIN=1,ACK=1 - 序列号（Seq）：当前已发送数据的下一序号
M - 作用：声明发送通道关闭（仍可接收数据）。
- 标志位：
-
ACK（被动方 → 主动方）
- 标志位：
ACK=1 - 确认号（Ack）：
M+1 - 作用：确认收到FIN，通知应用层关闭。
- 标志位：
-
FIN（被动方 → 主动方）
- 标志位：
FIN=1,ACK=1 - 序列号（Seq）：
N（可能携带最后数据） - 确认号（Ack）：
M+1（保持对FIN的确认） - 作用：通知主动方自身发送通道关闭。
- 标志位：
-
ACK（主动方 → 被动方）
- 标志位：
ACK=1 - 确认号（Ack）：
N+1 - 作用：确认被动方的FIN，连接完全关闭。
- 标志位：
为什么是三次挥手？
- 被动方的
ACK和FIN不能合并发送：因应用层可能需要时间处理剩余数据（CLOSE_WAIT状态）。
三、关键状态与异常处理
| 状态 | 触发条件 | 意义 |
|---|---|---|
SYN_SENT | 发送SYN后 | 等待SYN-ACK |
SYN_RECEIVED | 收到SYN并回复SYN-ACK | 等待最终ACK |
ESTABLISHED | 完成握手 | 数据可双向传输 |
FIN_WAIT_1 | 主动方发送FIN | 等待ACK或FIN |
CLOSE_WAIT | 被动方收到FIN | 等待应用层关闭 |
LAST_ACK | 被动方发送FIN | 等待最终ACK |
TIME_WAIT | 主动方收到FIN并发送ACK | 确保被动方收到ACK（2MSL） |
TIME_WAIT 的重要性：
- 持续时间：
2 * MSL（MSL通常为30s/60s）。 - 作用：
- 确保被动方重传的FIN能被响应（若ACK丢失）。
- 防止相同四元组（源IP/端口 + 目标IP/端口）的新连接收到旧连接的延迟报文。
四、流程图解
连接建立（四次握手）
Client Server| ||-------- SYN (Seq=X) -------->| → Server: SYN_RCVD| ||<----- SYN-ACK (Seq=Y, Ack=X+1) --| → Client: ESTABLISHED| ||------ ACK (Ack=Y+1) -------->| → Server: ESTABLISHED| |
连接终止（三次挥手）
Client (主动关闭) Server| ||---------- FIN (Seq=M) ------>| → Server: CLOSE_WAIT| ||<------- ACK (Ack=M+1) -------| | ||<------- FIN (Seq=N) ---------| → Server: LAST_ACK| ||------ ACK (Ack=N+1) -------->| → Client: TIME_WAIT (2MSL)| | Server: CLOSED
五、总结
| 特性 | 四次握手 | 三次挥手 |
|---|---|---|
| 核心目的 | 协商初始序列号，防止历史连接 | 独立关闭双向数据流 |
| 关键状态 | SYN_SENT, SYN_RCVD | FIN_WAIT, CLOSE_WAIT, TIME_WAIT |
| 设计难点 | SYN Flood攻击防御 | TIME_WAIT优化与端口复用 |
| 合并报文 | ACK与数据合并常见 | ACK与FIN不可合并（需等待应用层） |
实际意义：
- 握手：确保通信双方具备可靠传输的基础能力。
- 挥手：优雅终止连接，避免数据丢失与资源泄漏。
- TIME_WAIT：TCP可靠性设计的最后防线，牺牲短期资源换取协议健壮性。
补充：在极端优化场景（如HTTP/1.1 Keep-Alive）中，一个连接可处理多次请求，减少握手/挥手开销。但底层机制仍是TCP可靠性的基石。