TCP握手与挥手

技术革命

格雷厄姆在《黑客与画家》中提到一个观点，历史上财富的积累无非两种方式---偷窃和抢夺。新技术革命的出现，财富的积累的新方式则是技术进步。

技术进步创造了无数的财富，而这个技术指的就是网络技术。相对于人类的文明，网络的历史如同昙花一现，恰恰是这么短的时间内，所创造的文明和财富却是前所未有。相对于网络自身的发展，其实已经算是历史悠久了。然而自从网络诞生到现在，网络的基础架构理论，基本的通信协议改变也不是很大。

我们所熟知的Internet，把全世界的人连接起来，Inernet构建于TCP/IP模型基础之上。TCP/IP模型有着很多协议，其中与网络（web）应用开发者息息相关的莫过于TCP协议。想要了解TCP协议的本质，起始于TCP的三次握手和四次挥手。

TCP 握手连接

连接是一个通信的行为。建立连接，就能使用连接进行通信。连接作用于两个节点。TCP是有状态的协议，因此两个节点之间想要通过tcp发送数据，必须先建立可靠有效的连接。tcp是双通道的通信模式，因此tcp的连接（逻辑连接）其实是两条物理连接，即客户端-->连接和服务端--->客户端的连接。

Handshake.png

上图即是经典的TCP三次握手。握手前，服务端创建socket对象，绑定地址，开启监听；客户端创建socket，准备连接。然后进行三次握手连接：

1. clinet向server端发送一个[SYN]包，seq=x。
2. server收到[SYN]包之后，向clinet发送[SYN ACK] seq=y，ack=x+1
3. clinet收到server的syn和ack之后，再向server端发送[ACK] ack=y+1包，至此三次握手完成。

创建一个tcp连接，通过三次握手即可。其实三次握手的clinet和server端是在不同的变化状态。下面详细讨论下三次握手中的两端的状态变化。

TCP 握手c/s端状态

针对三次握手的详细过程，有如下过程：

1. 发起握手的时候，clinet发送[SYN]包之后，自身马上变成SYN_SENT状态，server则是进行了listen，自身的状态则变成LISTEN。接受到[SYN]包之后，自身变成SYN_RCVD状态。这个过程主要含义是clinet向server建立一条发送数据的连接。

2. server端收到了client的SYN之后，马上会发送一个[SYN ACK]包，这里一共有两个作用。ACK用于应答client，表示client->server的连接已经建立，同时server也想向client建立一条发送数据的连接，因此也需要发送一个[SYN]包。

3. client收到了server的[SYN ACK]。通过server发的ACK确定了client->server这条连接建立。自身状态变成了ESTABLISHED，表示可以正常的发送数据给server了。同时为了响应server发送的建立连接的SYN请求，再次给server做一次ACK的应答，一旦server收到clinet的ACK应答，server的状态也会变成ESTABLISHED。

上述的过程中涉及到几个状态，其中SYN_SENT和SYN_RCVD非常短暂，使用nc等工具也很难看到这种状态的。syn包表示希望建立一个连接，ack包表示应答。连接的本质是：

    client  ----- 发送syn ------>  server  希望创建连接
    client  <----- 发送ack ------  server  确定创建连接

之所以是三次握手，而不是第四次握手，是因为第二次握手的时候，server把 [SYN] 和 [ACK]一起发送了。

客户端			服务端
开始状态	过程	结束状态	开始状态	过程	结束状态
CLOSED	client创建socket	CLOSED	CLOSED	server创建socket，绑定地址，打开监听	LISTEN
CLOSED	[第一次握手]client向server发送SYN包	SYS-SENT	LISTEN	等待client发送的SYN	LISTEN
SYS-SENT	发送syn之后等待server发送ack	SYS-SENT	LISTEN	[第二次握手]接受client的syn，同时向client发送[SYN ACK]	SYN-RECEIVED
SYN-SENT	接受server的SYN+ACK，通过ack确定client->server连接创立，[第三次握手]同时针对SYN发送ACK	ESTABLISHED	SYN-RECEIVED	等待clinet发送的ACK确认	SYN-RECEIVED
ESTABLISHED	等待server完成对ack的响应，等待完成server->clinet的连接	ESTABLISHED	SYN-RECEIVED	接受client的ACK确定，完成server->clinet的连接	ESTABLISHED
ESTABLISHED	发送接受数据	ESTABLISHED	ESTABLISHED	发送接收数据	ESTABLISHED

参考

TCP 挥手断连

了解了tcp的握手方式，那么挥手方式就很容易理解啦。与创建连接syn不一样，想要端口连接需要发送的是fin包。同样为了确定断开连接，需要发送ack应答确认包。大概方式入下图：

Termination.png

断开tcp需要四步，断开连接既可以是client主动，server被动，也可以server主动断开。两种的状态变化也是相对而言。下面以client主动断开为例：

1. client发送[FIN]包，表示要断开clinet->server的连接。
2. server收到[FIN]之后，发送一个[ACK]包表示确定断开连接啦。
3. 同时server也会向clinet再发一个[FIN]包，表示也想断开server->clinet的连接。
4. clinet收到server的[ACK]包，确定了clinet->server的连接的断开，该连接将不会发送数据啦。由于client也会收到server的[FIN]包，因此也要为断开server->clinet的连接发送[ACK]给server确定。

至此，四次挥手完成。下面详细四次交互过程两个端的状态。

client和server端传送数据的时候，双方的状态都是ESTABLISHED。一旦clinet发送了fin之后，自身变成FIN-WAIT-1的状态，意思是等待server端的ack确定。此时，该通道不再向server发送数据，但是仍然可以接收server数据了。

server收到了clinet发送的ack之后，自身的状态由ESTABLISHED变成CLOSE_WAIT。client收到ack后，自身由FIN-WAIT-1变成FIN-WAIT-2，断开了连接。此时client在等待server端的fin信号。

server 发送 ack之后，自身就由CLOSE_WAIT变成LAST-ACK状态，即等待client的最后的ack确定。client收到server的fin包之后，自身就由 FIN-WAIT-2 变成 TIME_WAIT状态，等待一个2MSL时间之后，就变成了CLOSED状态。

最后server收到client的ack确定之后，自身也变成CLOSED状态。

客户端			服务端
开始状态	过程	结束状态	开始状态	过程	结束状态
ESTABLISHED	向server发送FIN，表示想关闭clinet->server的连接	FIN-WAIT-1	ESTABLISHED	正常服务，直到收到FIN	ESTABLISHED
FIN-WAIT-1	发送完毕FIN，等待server的确认应答，此时将不会再发送数据给server	FIN-WAIT-1	ESTABLISHED	接受FIN，发送ACK确认断开连接	CLOSE-WAIT
FIN-WAIT-1	接收server发送的ACK，确定client->server连接关闭	FIN-WAIT-2	CLOSE-WAIT	发送FIN，表示关闭server->client的连接	LAST-ACK
FIN-WAIT-2	收到server的FIN包，发送ACK作为应答	TIME-WAIT	LAST-ACK	等待 client发送的ACK	LAST-ACK
TIME-WAIT	等待MSL时间，保证ACK能被对方收到，等待fin否则重发	TIME-WAIT	LAST-ACK	接受ACK应达，关闭server->clinet的连接	CLOSED
TIME-WAIT	MSL 时间过期	CLOSED	CLOSED	连接关闭	CLOSED

参考

问题

三次握手保证了TCP连接的可靠性，假设没有三次握手只有两次。如果client发送第一个syn的时候延迟很大，导致client发送了第二个，第二个syn很快就到达server端。于是server发送ack确定连接，并发送syn。在两次握手的情况下，服务器认为连接都建立好了。如果此时第一个syn又抵达了服务器，那么服务器将会再次应答，向client端发送连接请求。这样会造成无效的连接，通过第三次握手，可以在server应答无效连接的时候提前终止。也就是最后一次握手不再发送ack，那么server就不会再创建连接。

在关闭连接的时候，虽然两个端都统一关闭连接，并且四次交互也发送完毕。假设如果网络延迟很大，或者丢包严重，就很难保证client最后一次ack一定能被server收到。如果server收不到，会重发fin。为了解决这个问题，通常在client发送ack之后2MSL时间，才由TIME_WAIT变成CLOSED状态，在此期间，client可以针对server补发的fin重发ack。

还有一个CLOSING状态，这个状态表示client发送了FIN之后，并没有收到ACK，反而先收到了server的FIN。当然这种情况十分罕见的“异常”状态。双方都同时关闭连接，有可能在四次交互的时候，出现某些包延迟。

总结

TCP 连接和断开的过程中，都是一问一答的方式，创建连接的问是syn，回答是ack，同样断开连接的问是fin，回答是ack。有问必有答，那么连接就能正常的创建和关闭。因为tcp通信是双通道的，因此一个TCP逻辑连接，实际上是两条成对client和server端的物理连接。无论连接和断开，都需要把这两个连接都处理完毕才能完成。也因为这两个过程，中间衍生出了很多状态。这些状态在创建连接的时候有client和server端的区分，在断开的连接的时候就没有特别区别，只有主动断开和被动断开的差别。

至于tcp三次握手中两端的“两个连接”的通信通道，他们的具体原理和过程，我们将会在TCP连接与Python中详细讨论。