TCP三次握手四次挥手

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tcp三次握手

TCP（传输控制协议）的三次握手是建立可靠连接的关键过程，用于在客户端和服务器之间同步序列号并交换控制信息。

三次握手的过程(简化版)

  1. 第一次握手（SYN）

    • 发送方: 客户端
    • 数据包内容: 客户端发送一个 TCP 数据包，设置 SYN（同步）标志位为 1，并携带一个初始序列号（Sequence Number），通常记为 Seq = x。
    • 含义: 表示客户端请求建立连接，并告诉服务器客户端的初始序列号。
    • 状态: 客户端进入 SYN_SENT 状态。

  2. 第二次握手（SYN+ACK）

    • 发送方: 服务器
    • 数据包内容: 服务器回应一个 TCP 数据包，设置 SYN 标志位为 1 和 ACK（确认）标志位为 1。
      • 服务器的初始序列号为 Seq = y。
      • 确认号（Acknowledgment Number）为 Ack = x + 1，表示服务器已接收到客户端的 SYN 并期待客户端的下一个数据包序列号。
    • 含义: 服务器同意建立连接，同时告知客户端自己的初始序列号。
    • 状态: 服务器进入 SYN_RCVD 状态。

  3. 第三次握手（ACK）

    • 发送方: 客户端
    • 数据包内容: 客户端发送一个 TCP 数据包，设置 ACK 标志位为 1。
      • 序列号 Seq = x + 1（紧接第一次握手的序列号）。
      • 确认号 Ack = y + 1，表示客户端已接收到服务器的 SYN 并确认。
    • 含义: 客户端确认服务器的响应，连接正式建立。
    • 状态: 客户端和服务器都进入 ESTABLISHED 状态。

数据包示例（简化为关键字段）

假设客户端初始序列号为 1000，服务器初始序列号为 2000：

  1. 客户端 -> 服务器:
    • SYN = 1, Seq = 1000
  2. 服务器 -> 客户端:
    • SYN = 1, ACK = 1, Seq = 2000, Ack = 1001
  3. 客户端 -> 服务器:
    • ACK = 1, Seq = 1001, Ack = 2001

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总结

三次握手中的数据包通过 SYN 和 ACK 标志位以及序列号、确认号的交换，确保双方能够可靠地初始化通信。完成后，TCP 连接建立，后续数据传输即可开始。

抓包分析三次握手

  • sudo tcpdump -i en0
  • wireshark

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1.src -> dst syn(syn_sent)

  • flag=syn syn_sent(src)
  • SEQ=0 相对序列号
  • Seq=x0577 原始序列号

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2.dst -> src syn + ack(syn_rcvd)

  • flag:sync + ack syn_rcvd(dst)
  • SEQ=0, Seq=x0888
  • Ack=0578

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3. src -> dst ack(established)

  • flag: ack established(src/dst)
  • ACK=1
  • Seq=x0578 Ack=0x889

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三次握手详解步骤

  1. 第一次握手（SYN，客户端 → 服务器）

    • 客户端发送一个 SYN（同步）报文给服务器。
    • 这个报文中包含客户端的初始序列号（Sequence Number，通常记为 seq = x），表示客户端数据流的起始点。
    • 标志位：SYN = 1，表示请求建立连接。
    • 此时客户端进入 SYN_SENT 状态，等待服务器的响应。

  2. 第二次握手（SYN + ACK，服务器 → 客户端）

    • 服务器收到客户端的 SYN 后，回复一个 SYN + ACK 报文。
    • 这个报文中：
      • SYN = 1：表示服务器也请求同步。
      • ACK = 1：确认收到客户端的 SYN。
      • 服务器的初始序列号（seq = y），表示服务器数据流的起始点。
      • 确认号（Acknowledgment Number，记为 ack = x + 1），表示服务器期望接收客户端的下一个序列号。
    • 服务器进入 SYN_RCVD（同步收到）状态。

  3. 第三次握手（ACK，客户端 → 服务器）

    • 客户端收到服务器的 SYN + ACK 后，发送一个 ACK 报文确认。
    • 这个报文中：
      • ACK = 1：确认收到服务器的 SYN。
      • 序列号（seq = x + 1），与服务器的确认号对应。
      • 确认号（ack = y + 1），表示客户端期望接收服务器的下一个序列号。
    • 客户端进入 ESTABLISHED（连接建立）状态。
    • 服务器收到这个 ACK 后，也进入 ESTABLISHED 状态。

图示

客户端                     服务器
   |    ---- SYN (seq=x) ---->   |
   |    <--- SYN+ACK (seq=y, ack=x+1) ---   |
   |    ---- ACK (seq=x+1, ack=y+1) --->   |
   |           [连接建立]          |

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为什么要三次握手？

三次握手的主要目的是：

  1. 确认双向通信能力：确保客户端和服务器都能发送和接收数据。
  2. 同步序列号：双方交换初始序列号（x 和 y），为后续数据传输建立可靠的顺序。
  3. 防止旧连接干扰：避免因网络延迟导致的过期 SYN 报文误建立连接。

举个生活中的类比

想象你在打电话：

  1. 你拨号并说：“喂，你能听见我吗？”（第一次握手，SYN）
  2. 对方的电话接通，说：“能听见，你能听见我吗？”（第二次握手，SYN + ACK）
  3. 你回答：“能听见，开始聊吧！”（第三次握手，ACK）

常见问题

  • 能不能用两次握手？ 不行。两次握手只能确认客户端到服务器的通信，服务器到客户端的确认无法保证，可能导致单向连接或旧连接干扰。
  • 三次握手中途失败会怎样？ 如果某一步失败（比如服务器没回应），客户端会超时重试（通常基于 TCP 重传机制），最终放弃并关闭连接尝试。

查看三次握手

在 Linux 中可以用 tcpdump 或 wireshark 抓包观察：

1
sudo tcpdump -i eth0 port 80
  • 假设你在监听 80 端口的 HTTP 连接，就能看到 SYN、SYN+ACK 和 ACK 的报文。

四次挥手关闭

TCP 的四次挥手（Four-Way Handshake）是终止 TCP 连接的过程，用于确保客户端和服务器双方都能安全地关闭连接，并确认所有数据都已被正确传输。以下是 TCP 四次挥手的详细过程，包括每个数据包的角色和状态变化。

四次挥手的过程

TCP 四次挥手涉及客户端和服务器之间的四次数据包交换，标志位（如 FIN 和 ACK）用于控制连接的关闭。假设客户端主动发起关闭，以下是步骤：

  1. 第一次挥手（FIN）

    • 发送方: 客户端
    • 数据包内容: 客户端发送一个 TCP 数据包，设置 FIN（结束）标志位为 1，序列号为 Seq = x。
    • 含义: 客户端表示自己没有更多数据要发送，请求关闭连接。
    • 状态: 客户端进入 FIN_WAIT_1 状态。

  2. 第二次挥手（ACK）

    • 发送方: 服务器
    • 数据包内容: 服务器回应一个 TCP 数据包，设置 ACK（确认）标志位为 1，确认号为 Ack = x + 1，序列号为 Seq = y（服务器当前的序列号）。
    • 含义: 服务器确认收到客户端的 FIN，告诉客户端“我已知道你要关闭”。但服务器可能仍有数据要发送，因此此时连接尚未完全关闭。
    • 状态:
      • 客户端收到 ACK 后，从 FIN_WAIT_1 进入 FIN_WAIT_2 状态。
      • 服务器进入 CLOSE_WAIT 状态。

  3. 第三次挥手（FIN）

    • 发送方: 服务器
    • 数据包内容: 服务器在完成数据发送后，发送一个 TCP 数据包，设置 FIN 标志位为 1，序列号为 Seq = z，确认号仍为 Ack = x + 1（可能与第二次挥手相同）。
    • 含义: 服务器表示自己也没有更多数据要发送，同意关闭连接。
    • 状态: 服务器进入 LAST_ACK 状态。

  4. 第四次挥手（ACK）

    • 发送方: 客户端
    • 数据包内容: 客户端回应一个 TCP 数据包，设置 ACK 标志位为 1，序列号为 Seq = x + 1，确认号为 Ack = z + 1。
    • 含义: 客户端确认收到服务器的 FIN，连接正式关闭。
    • 状态:
      • 客户端进入 TIME_WAIT 状态，等待 2MSL（两倍的最大段生存时间，通常为 30 秒到 2 分钟），确保网络中残留的数据包消失后，进入 CLOSED 状态。
      • 服务器收到 ACK 后，直接进入 CLOSED 状态。

四次挥手的图示

假设客户端初始序列号为 x，服务器初始序列号为 y，以下是过程：

客户端              服务器
  |                   |
  | FIN (Seq=x)      |  ----> 第一次挥手
  |----------------->|
  |                   |
  | ACK (Seq=y, Ack=x+1) |  <---- 第二次挥手
  |<-----------------|
  |                   |
  | FIN (Seq=z, Ack=x+1) |  <---- 第三次挥手
  |<-----------------|
  |                   |
  | ACK (Seq=x+1, Ack=z+1) |  ----> 第四次挥手
  |----------------->|
  |                   |

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为什么是四次挥手而不是三次？

  • TCP 是全双工协议，客户端和服务器都可以独立发送数据。因此，关闭连接时需要双方分别发送 FIN 并得到确认。
  • 三次握手是为了建立同步，而四次挥手是因为关闭时服务器可能还有剩余数据要发送，无法将自己的 FIN 和 ACK 合并为一个数据包。

状态变化总结

  • 客户端: ESTABLISHED → FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT → CLOSED
  • 服务器: ESTABLISHED → CLOSE_WAIT → LAST_ACK → CLOSED

使用 tcpdump 捕获四次挥手

可以用以下命令捕获四次挥手的数据包：

1
sudo tcpdump -i en0 -n port 80 or port 443

在捕获到的数据中，查找 [FIN] 和 [ACK] 标志的数据包即可看到四次挥手的过程。