TCP协议建立连接（3次握手）和断开连接（4次挥手）的过程

TCP协议（传输控制协议， Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RF793定义。

面向连接意味着两个使用TCP的应用（通常是一个客户端和一个服务器）在彼此交换数据之前必须先建立一个TCP连接。这一过程与打电话很相似，先拨号振铃，等待对方摘机说“喂”，然后才说明是谁。双方的数据传输都可以通过这一个连接进行。完成数据交换后，双方必须断开此连接，以释放系统资源。这种连接是一对一的。本文通过类比生活中的打电话实例，来重点理解TCP协议建立连接（3次握手）和断开连接（4次挥手）的过程。

首先需要了解几个字段：

（1）seq序号:占32位，用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流，发起方发送数据时对此进行标记。它的初始序号是随机的，相对序号/确认序号是和TCP会话的初始序号相关联的。该序号被用来跟踪该端发送的数据量。每一个包中都包含序号，在接收端则通过确认序号用来通知发送端数据成功接收。

（2）确认序号：ack序号，占32位，只有ACK标志位为1时（不要将确认序号ack与标志位中的ACK弄混了），确认序号才有效。确认方ack = 发起方seq +1，两端配对。 

（3）位码即TCP标志位，有6种，具体含义如下：

    SYN(synchronous建立连接) 发起一个新连接

    ACK(acknowledgement 表示响应、确认) 确认序号有效

    PSH(push表示有DATA数据传输) 接收方应尽快将这个报文交给应用层

    FIN(finish关闭连接) 释放一个连接

    RST(reset表示连接重置)

    URG(urgent pointer紧急指针字段值有效)

一、三次握手过程理解

所谓三次握手（Three-Way Handshake）即建立TCP连接，就是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送3个包以确认连接的建立。在socket编程中，这一过程由客户端执行connect来触发。

以下图生活中的打电话为例：

图一、打电话过程中建立的连接

三次握手：

（1）第一次握手：客户端Client将标志位SYN置为1，随机产生一个序号值(seq = J)，发送SYN包到服务器Server，客户端进入SYN_SEND状态，等待服务器确认。

（2）第二次握手：Server收到数据包后由标志位SYN = 1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack = J+1，随机产生一个值seq = K，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。

（3）第三次握手：Client收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack = K + 1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

握手过程中传送的包里不包含数据，三次握手完毕后，客户端与服务器才正式开始传送数据。理想状态下，TCP连接一旦建立，在通信双方中的任何一方主动关闭连接之前，TCP 连接都将被一直保持下去。

确认号：其数值等于发送方的发送序号+1(即接收方期望接收的下一个序列号)。

图二、TCP中三次握手（建立连接）

问题扩展：为什么不能用两次握手进行连接？

答：3次握手完成两个重要的功能，既要双方做好发送数据的准备工作(双方都知道彼此已准备好)，也要允许双方就初始序列号进行协商，这个序列号在握手过程中被发送和确认。
    现在把三次握手改成仅需要两次握手，死锁是可能发生的。作为例子，考虑计算机S和C之间的通信，假定C给S发送一个连接请求分组，S收到了这个分组，并发 送了确认应答分组。按照两次握手的协定，S认为连接已经成功地建立了，可以开始发送数据分组。可是，C在S的应答分组在传输中被丢失的情况下，将不知道S 是否已准备好，不知道S建立什么样的序列号，C甚至怀疑S是否收到自己的连接请求分组。在这种情况下，C认为连接还未建立成功，将忽略S发来的任何数据分 组，只等待连接确认应答分组。而S在发出的分组超时后，重复发送同样的分组。这样就形成了死锁。

二、四次挥手过程的理解

所谓四次挥手（Four-Way Wavehand）即终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。在socket编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发。中断连接端可以是Client端，也可以是Server端。

由于TCP连接时全双工的，因此，每个方向都必须要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭。

生活中断开电话连接的例子如下图所示:

图三、类比于四次挥手的断开电话连接的图例

四次挥手：

图四、四次挥手示意图

(1)第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN_WAIT_1状态。

(2)第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），Server进入CLOSE_WAIT状态。

（3)第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK状态。

（4）第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。

问题拓展：为什么建立连接是三次握手，而关闭连接却是四次挥手呢？

答：这是因为服务端在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时，当收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，己方也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即close，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送。