第18章 TCP连接的建立与终止

所属：TCP/IP详解卷1：协议来源：TCP/IP详解卷1：协议

本章介绍TCP连接的建立与终止，包括三次握手、四次挥手、TCP状态机、复位报文等。

18.1 引言

连接管理

TCP连接管理：

建立连接
终止连接
连接状态
各种异常处理

TCP是面向连接的，需要管理连接。

本章讨论的内容

本章讨论的内容：

三次握手（连接建立）
四次挥手（连接终止）
TCP状态机
复位报文（RST）
半关闭
同时打开/同时关闭
MSS选项

本章介绍TCP连接管理。

18.2 连接建立：三次握手

什么是三次握手

三次握手（Three-way Handshake）：

建立TCP连接需要三次交互
双方确认对方的发送和接收能力
同步初始序号

三次握手建立连接。

三次握手的过程

三次握手的过程：

客户端                                服务器
  |                                     |
  | ---------- SYN ----------->        |  1. 客户端发SYN
  |        seq=x                         |     同步，初始序号x
  |                                     |
  | <------- SYN+ACK ---------         |  2. 服务器发SYN+ACK
  |        seq=y, ack=x+1               |     同步自己的，确认客户端的
  |                                     |
  | ---------- ACK ----------->        |  3. 客户端发ACK
  |        seq=x+1, ack=y+1             |     确认服务器的
  |                                     |
  |        连接建立了！                   |

三次握手：SYN → SYN+ACK → ACK。

为什么是三次

为什么是三次，不是两次？

确认双方的发送和接收能力
- 客户端发SYN：服务器知道客户端能发，自己能收
- 服务器发SYN+ACK：客户端知道服务器能收能发，自己能收能发
- 客户端发ACK：服务器知道客户端能收
防止旧的连接请求干扰
- 如果两次就建立
- 旧的SYN到了服务器
- 服务器就建立连接了
- 但客户端根本不想建立
- 浪费资源
同步初始序号
- 双方都要告诉对方自己的初始序号
- 双方都要确认对方的
- 三次刚好

三次握手是必要的。

初始序号

初始序号（ISN）：

双方各自随机选择
不是从0开始
随时间变化
防止序号回绕和攻击

为什么随机：

安全
防止伪造
防止旧的分组干扰

初始序号是随机的。

MSS选项

MSS选项（Maximum Segment Size）：

最大段大小
TCP每次发的最大数据量
不包含TCP首部
在SYN段里协商

MSS和MTU的关系：

MSS = MTU - IP首部 - TCP首部
以太网MTU=1500
MSS = 1500 - 20 - 20 = 1460

为什么协商MSS：

避免分片
提高效率
双方知道对方能收多大的段

MSS在连接建立时协商。

18.3 连接终止：四次挥手

什么是四次挥手

四次挥手（Four-way Handshake）：

关闭TCP连接需要四次交互
因为TCP是全双工的
两个方向要分别关闭
每个方向发一个FIN

四次挥手关闭连接。

四次挥手的过程

四次挥手的过程：

客户端                                服务器
  |                                     |
  | ---------- FIN ----------->        |  1. 客户端发FIN
  |        seq=u                         |     我发完了
  |                                     |
  | <---------- ACK ----------         |  2. 服务器发ACK
  |        ack=u+1                       |     知道了
  |                                     |
  |  客户端半关闭了，还能收              |
  |                                     |
  | <---------- FIN ----------         |  3. 服务器发FIN
  |        seq=v                         |     我也发完了
  |                                     |
  | ---------- ACK ----------->        |  4. 客户端发ACK
  |        ack=v+1                       |     知道了
  |                                     |
  |        连接关闭了！                   |

四次挥手：FIN → ACK → FIN → ACK。

为什么是四次

为什么是四次？

TCP是全双工的
两个方向独立
每个方向都要单独关闭
一个FIN关闭一个方向
所以需要两个FIN，每个都有ACK
总共四次

为什么三次握手的第二次可以合并：

建立连接时，SYN和ACK可以放一个包里
关闭时，FIN和ACK通常不能合并
因为收到FIN时，可能还有数据没发完
要先ACK，等数据发完了再FIN

因为全双工，所以四次。

半关闭

半关闭（Half-close）：

一方发了FIN，进入半关闭状态
不能发了，但还能收
等对方也发FIN了才完全关闭

为什么需要半关闭：

客户端发完了，告诉服务器我发完了
但服务器可能还有数据要发
客户端还可以收
等服务器也发完了再关

半关闭可以收不能发。

18.4 TCP状态机

TCP状态

TCP有很多状态：

状态	说明
CLOSED	关闭状态，初始
LISTEN	监听，等待连接
SYN_SENT	发了SYN，等待SYN+ACK
SYN_RCVD	收到SYN，发了SYN+ACK，等待ACK
ESTABLISHED	连接建立，数据传输
FIN_WAIT_1	发了FIN，等待ACK
FIN_WAIT_2	收到FIN的ACK，等待对方的FIN
CLOSE_WAIT	收到FIN，发了ACK，等待应用关闭
CLOSING	双方同时发FIN
LAST_ACK	发了FIN，等待最后的ACK
TIME_WAIT	收到FIN，发了ACK，等2MSL

TCP有11个状态。

状态转换图

客户端的状态转换（主动打开）：

CLOSED → SYN_SENT → ESTABLISHED → FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT → CLOSED

服务器的状态转换（被动打开）：

CLOSED → LISTEN → SYN_RCVD → ESTABLISHED → CLOSE_WAIT → LAST_ACK → CLOSED

客户端和服务器的状态路径不同。

TIME_WAIT状态

TIME_WAIT状态：

主动关闭的一方最后进入的状态
等待2MSL时间
然后才到CLOSED

MSL：

Maximum Segment Lifetime
最长分节生命期
一个TCP分段在网络上最长存活时间
通常是30秒、1分钟、2分钟

为什么需要TIME_WAIT：

保证最后的ACK能到达
- 最后一个ACK可能丢了
- 对方会重传FIN
- TIME_WAIT期间还能重发ACK
- 不然对方收不到ACK会一直重传
让旧的分组消失
- 防止这个连接的旧分组
- 干扰下一个同样的连接
- 等2MSL，旧的都死了

TIME_WAIT等2MSL。

2MSL等待

2MSL等待：

TIME_WAIT的时间是2MSL
为什么是2倍？
一个方向最多MSL
两个方向就是2MSL
保证所有旧分组都消失

2MSL是最长的分组存活时间的两倍。

18.5 复位报文

什么是复位报文

复位报文（RST）：

RST标志位为1的段
复位连接
异常情况下用
不用四次挥手，直接复位

RST直接复位连接。

什么时候发RST

什么时候发RST：

连接不存在，收到数据
- 给一个没有的连接发数据
- 对方回RST
连接请求被拒绝
- 端口没开
- 服务器回RST
异常关闭连接
- 不想正常关闭
- 直接发RST
- 跳过TIME_WAIT
半开连接
- 一方以为连接还在
- 另一方已经关了
- 发数据就会收到RST

RST用于各种异常情况。

RST vs FIN

RST vs FIN：

对比项	FIN	RST
用途	正常关闭	异常复位
过程	四次挥手	一次就完
数据	缓冲区的数据会发完	直接丢
状态	有序关闭	强制关闭
TIME_WAIT	有	没有

FIN是正常关闭，RST是异常复位。

18.6 同时打开和同时关闭

同时打开

同时打开（Simultaneous Open）：

双方同时主动打开
双方同时发SYN
比较少见

过程：

双方都发SYN
双方都收到SYN
双方都发SYN+ACK
双方都收到SYN+ACK
连接建立

状态转换：

两边都是SYN_SENT → SYN_RCVD → ESTABLISHED

同时打开比较少见。

同时关闭

同时关闭（Simultaneous Close）：

双方同时主动关闭
双方同时发FIN
也比较少见