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网络原理 - 5（TCP - 2 - 三次握手与四次挥手）

news 来源：原创 2025/7/6 3:01:42

3. 连接管理

建立连接 - 三次挥手

三次握手的意义

断开连接 - 四次挥手

握手和挥手的相似和不同之处

连接管理过程中涉及到的 TCP 状态转换

完！

3. 连接管理

连接管理分为建立连接和断开连接~（important 重点！）

建立连接 - 三次挥手

TCP 是有连接的，我们在网络编程中客户端执行了一行代码：socket = new Socket(serverIp, serverPort); 这个操作就是建立连接！！！

上述我们代码中，只是调用了 socket 的 API，真正的建立连接的过程，是在操作系统的内核中完成的~

内核中是如何完成上述的“建立连接”的过程呢？？？ ==》 “三次握手”，此处我们建立的连接，是一种“虚拟的，抽象的”连接，目的是让通信双方都能保存对方的相关信息~

syn 其实是 synchronize 的缩写，有没有很熟悉，就是我们之前上锁的关键字~~~ 不过这里我们可以更形象的翻译为同步~~~

在建立连接的过程中，客户端是主动的一方，第一次交互，一定是客户端主动发起的，所谓 syn，是一个特殊的 TCP 数据报（1. 没有载荷，不会携带应用层数据 2. 六个标志位中的第五位 SYN 为 1），这个 syn 就会表达一层语义：我想和你建立连接（虚拟抽象的连接）

虽然 syn 没有携带应用层载荷，但是也会有 IP 报头 / 以太网数据帧帧头，更会有 TCP 报头，TCP 报头中，就会包含了客户端自己的端口，IP 报头中，就会包含了客户端自己的 IP（这个过程，也是客户端在告诉服务器，who am i）

客户端发出 syn 同步报文段之后，会有两种可能性：

1. 服务器同意了，服务器表示，好呀好呀，我也想和你建立连接~~

2. 服务器没同意。这种情况一般比较少见，就是服务器现在处在负载非常高的情况下，完全没办法再进行响应了，此时的客户端太多了~~~也就没有下文了（只要服务器有空闲，就一定会想和客户端建立连接，毕竟服务器本身就是用来提供服务的~~~）

服务器接收到客户端的 syn 同步报文段之后，就会返回一个 ACK（确认应答），语义就是：收到！！！

接下来，服务器返回 ack 之后，还会再返回一个 syn，这个 syn 的意思就是，我接收你的连接（我也愿意和你建立连接，刚刚返回 ack 只是表明，我服务器收到了你的请求连接，现在返回 syn 是表明了，我也愿意和你建立连接~~~）

客户端在收到服务器发过来的 syn 之后，也会再给服务器发送一个 ack 报文，表示，好滴，我知道你愿意和我建立连接啦~~~

到此，客户端和服务器在内核中建立连接的过程就完成啦~~~

下面是一些细节的补充：

syn 我们形象的翻译为“同步”，实际上是不同的含义（同一个术语，在不同的语境下，有不同的意思~~）

多线程加锁的 synchronized 同步，是要协调多个线程之间的执行顺序。

TCP 这里的同步，则是建立连接状态，客户端服务器需要相互配合来完成一系列的工作业务了~~~也就是说，双方一旦建立连接之后，双方就得力往一处使，也可以理解为一种同步。

所谓的建立连接的过程，本质上就是通信双方各自给对方发送一个 syn，各自再给对方回应一个 ack，这里客户端的信息告知服务器，在第一次发送 syn（第一次握手）的时候就完成了，但最终这个连接要建立，还确认出后续还要进行通信，是需要所有流程都走完的。

虽然第一次握手，客户端就把自己的信息告诉服务器了，但是服务器具体是否要确定存储这个信息，还需要再观望官网~~~等所有的握手环节结束之后，服务器才会最终保存客户端的相关信息。

这里的过程叫做“握手” ==》 handshake 也是一个形象的比喻，握手是打招呼，syn 这样的数据报，不携带载荷，没有应用层数据，也就不代表任何应用程序的业务逻辑，syn 的作用，仅仅只是“打招呼”，所以我们在这里把这个操作形象的称为“握手“。 == 》打完招呼之后，后面我们双方就可以商讨具体的细节了（商讨细节，就是业务逻辑，应用程序 / 应用层要完成的业务逻辑了~~~）

还有一个问题是，我们不是称为”三次握手“吗？？？握手，理解了，就是打招呼的意思，但上面明明是进行了 4 次交互过程呀~~~

其实其实，中间的两次操作，可以进行合并。在六个关键位中，SYN 和 ACK 是在不同位置上的，syn 是第五位，ack 是第二位，当发送 ack 的时候，就六个关键位的第二位为 1，当发送 syn 的时候，就六个关键位的第五位为 1 即可~~

完全可以做到，一个数据报，第五位和第二位都是 1，这样，这个数据报不就同时起到了两个作用吗，既能应答上个请求，也能发起 syn。（我们前面讲过，网络传输过程中要涉及到多次封装和分用。两个数据报就要封装分用两次，合并成一个数据报，就只需要封装分用一次，可以减少一次封装分用的过程，这样整体的效率就提升了，也会降低我们的成本~~）

其他资料上也会有”三次握手“的更为详细的描述，如下：

这种描述中，TCP 对应的状态转换（CLOSE LISTEN ESTABLISHED）对应的 socket 的 API等等，都更为详细的进行了介绍，我们这里就不过多详细了~~

三次握手的意义

1. 关注中间过程：三次握手，可以先针对通信路径，进行一个“投石问路”的操作，初步的确认一下通信链路是否畅通，这也是可靠性的前提条件~~~如果能成，再谈“可靠传输”~~

2. 关注两端的状态：三次握手，也是在验证通信双方，发送能力和接受能力是否正常。

举个栗子~~

A 和 B 要玩双人游戏 -- 双人成行~~~

这种双人游戏，一般都是要双方默契配合的，A 和 B 就要进行一个语言通话，比如 QQ 语音什么的~~~

在进行握手之前，A 和 B 是分别不知道自己的麦克风和耳机，是否可以正常工作的~~~

此时，B 就先开口的，通过他的麦克风发出消息：“喂喂喂”

此时，B 是什么都不知道的情况。当 A 能听到“喂喂喂”，就证明了 B 的麦克风是 OK 的，同时，A 自己的耳机也是 OK 的，他就会回复一句”总有儿子想当爹~“

这个时候，如果 B 收到了这一句话，就证明 B 自己的耳机的 OK 的，同时，他也知道了 A 的麦克风是 OK 的（A 和 B 有一个与欸的那个，约定 A 听到 B 相当他爹之后，A 才会回复”总有儿子想当爹“，要不然 A 是不会回复的~~~）由于这个与欸的那个的存在，就证明了 A 一定是听到了 B 说的”喂喂喂“，这个时候，B 就知道了，他自己的耳机和麦克风，A 的耳机和麦克风，都是 OK 的，但由于此时 A 还是不知道剩余的情况，B 就再需要一次回应，讲上述信息告诉 A

当 A 再收到 B 的回复，也就意识到，他刚刚给 B 发的”总有儿子想当爹“（此处还是有一个约定，B 在收到”总有儿子想当爹“的时候，才会回复“我是你爷爷”~~~），B 也收到了，这样 A 也就知道他自己的麦克风和耳机，B 的麦克风和耳机，都是 OK 的

这样 A 和 B 就都分别知道自己和对方的麦克风和耳机的状态了~~

上述的麦克风 ===》发送数据的能力

上述的耳机 ===》接收数据的能力~

3. 三次握手的过程中，也会协商一些必要的参数~通信是客户端服务器两方的事情，双方要进行同步配合，其中的一些内容要保持一致~

举个栗子~~

A 和 B 在玩 LOL ~~~ 第一次握手，B 告诉 A 他玩射手，A 收到后，告诉 B，那我玩辅助，B 又收到后，我们这两个菜鸟选手，玩下路，岂不是一死一送，还需要一个野王带我们飞，于是就又告诉了 A，我们需要一个野王~~~

TCP 中是有很多参数要进行协商的，往往是以”选项“部分来进行体现的~~~

这个选项，我们前面提到过，最少可以是 0 字节，最多是 40 字节（TCP 报头的总长度最多是 2^4 * 4 = 60，去掉前面固定的 20，还剩 40 字节）

其中有一个信息是十分关键的，TCP 通信的序号起始值。TCP 一次通信过程中，序号并不是直接从 0 或者 1 开始计算的。而是先选择一个比较大的数字，以这个数字开头来继续i计算~~ 即使是同一个客户端和服务器，每次连接，开始的序号都是不一样的

涉及 TCP 的大佬当年是这么考虑的，上述操作是为了避免一个情况 ==》前朝的剑，斩本朝的官~~

比如出现下面的情况：

由于互联网中，会广泛的存在”后发先至“ / “先发后至”的情况。

可能在第一次连接过程中，通信操作中，传输的一个数据报，在路上堵车了~~~迟迟没有到达对端。

等到这个堵车迟到的数据报到达对端的时候，咦，发现已经改朝换代了，之前的连接早都没了，现在成了新的连接了~~~

此时，这份堵车的数据报，应就应该被丢弃掉~~

数据报是按照 ip 和端口号来进行识别的。

第一个连接，是用客户端 A 来进行连接的，第二个连接是用客户端 B 来进行连接的（恰好是同一个端口的情况，客户端的概率是比较低的（我们前面提到过，客户端的端口号是随机分配的），服务器的概率就会很大）

此时数据到达这一边，发现早已经物是人非了，这个时候的话，再来对这个数据进行处理的话，就不是很合适了，此时，丢弃这个数据报才是上上策~

那如何识别出，当前的数据报是不是“前朝”的数据报呢？？ ==》通过序号来进行区分~~~

（序号是不同的，也不是随机的，序号的分配背后还是有一些列的分配策略存在的~~~）

正常的数据报的序号都是从开始序号往后依次排序的，就算偶尔丢包，偶尔数据不连续，差异也不会很大，但如果是“前朝”的数据报传过来，序号就会和本朝的数据报的序号差异非常大，很容易一眼就被识别出来~~~

断开连接 - 四次挥手

连接，本质上就是让通信双方来保存对方的信息，每个客户端 / 服务器，都要保存很对对端的信息，一旦多了，这些数据就需要一定的结构来进行管理 == 数据结构~~~

断开连接的本质目的，其实就是为了把对端的信息，从数据结构中给删除 / 释放掉~

此处的四次挥手，就是通信双方，都同意断开连接（双方和平分手，两个人都要去睡觉觉了~~~）（对于如果单方面的情况，四次挥手不一定适用，就会有其他方式会释放这里的连接，也就是说，断开连接，不一定就是四次挥手~）

四次挥手的断开连接操作，就不一定非得是客户端先发 fin 了，服务器也可能先发 fin，和三次握手不一样，三次握手，一定是客户端主动的~

四次挥手中，谁先发都可以，看我们的代码具体的实际逻辑了，调用 socket.close() 就会触发 fin（fin 也是内核中负责完成的，如果进程直接结束，也会触发 fin（关闭 socket 文件，结束进程，也会关闭文件~~~））

fin，同样是可以六个关键字之一，即 finish 的缩写。

当有代码 socket.close() ，就会触发 fin 数据报。

和建立连接一样，断开连接的时候，服务器收到 fin 的时候，同样会发送 ack 和 fin 报文给客户端

然后客户端才传送回一个 ack 表示收到

这样就完成了四次挥手，通信双方各自给对方发起 fin，再各自给对方反馈 ack，四次挥手，代表着双方和平分手，和平离婚~~~（离婚双方需要签署离婚协议 == 》双方都把字签好，就是结束了～～～）

那，上述的四次挥手过程，能不能像三次握手一样，把中间两次的交互，合二为一呢？？？

如合~~~有的时候能合并，有的时候不能合并，不像三次握手一样，100% 会合并~~

我们再看三次握手的情况：

客户端执行 new Socket(serverIp, serverPort) 代码的时候，就会发送 syn 数据报，中间服务器的 syn + ack 这俩数据的触发时机是完全一致的，都是内核在收到 syn 之后，就立即触发（这两个数据报的发送，和我们程序员写的应用程序代码是无关的~~）

但是四次挥手的过程中，和代码有关系的：

服务器发送 fin 的时候，是受限于代码的，还记得我们在网络编程中，最终在 try - catch 的时候最后加入了一个 finally 吗？在 finally 的时候加入 close 方法。

这中间返回 ack 和 fin 的时间间隔，如果比较长，就无法进行合并了，只能分为两次来进行传输~~（如果当前时间间很小，也是有可能合并的~）

细节版本：

握手和挥手的相似和不同之处

相似之处：

都是通信双方各自给对方发起一个 syn / fin，各自给对方返回 ack

数据传输的数据： syn / ack / syn / ack fin / ack / fin / ack

不同之处：

三次握手，中间两次的交互一定能够合并，四次挥手则不一定

三次握手，一定是需要客户端主动的，四次挥手，客户端 / 服务器都可以主动~

连接管理过程中涉及到的 TCP 状态转换

上面的 TCP 连接中的详细描述图~~就包含了一些 TCP 的状态转换~

TCP 状态和我们之前线程中谈到的线程，是类似的概念。

状态描述的是某个实体，现在正在干什么。TCP 服务器和客户端都要有一定的数据结构来保存这个连接的信息，在这个数据结构中，其中就有一个属性叫做“状态”，操作系统内核会根据状态的不同，来决定当前应该干什么~~

上图是一个 TCP 状态转换的过程~不过看着有些混乱，我们还是按照那个连接管理的详细图研究一下~

先看一下建立连接的过程~

有一个 LISTEN 状态，表示服务器这边已经创建好 serverSocket 了，并且端口号也已经绑定完成了（手机开机，信号良好，随时可以有人给我打电话了~）

ESTABLISHED 表示已确定的。客户端和服务器已经建立完毕（三次握手完成了）（有人给我打电话了，而且我接通了，此时我们可以给对方说话了~~~）

四次挥手断开连接中：

有一个 CLOSE_WAIT 状态，谁被动断开连接，谁就进入 CLOSE_WAIT 状态~ 这个状态就表示：接下来代码中需要调用 close 来主动发起 fin （收到对方的 fin 之后就会进入这个状态~）

还有的状态是 TIME_WAIT 就是表示，本端给对方发起 fin 之后，对端也给我发了 fin，此时

本端就会进入 TIME_WAIT 状态，给最后一个 ACK 的重传留有一定的时间~（即，谁主动断开连接，谁进入 TIME_WAIT 状态）

正常状态下，CLOSE_WAIT 不太容易被观察到，代码中会比较快速的关闭 socket 这个时候，状态就从 CLOSE_WAIT > LAST_ACK （但是如果发现，服务器 / 客户端上出现大量的 CLOSE_WAIT 意味着代码很可能是出现了 bug，比如忘记关闭 socket~）

TIME_WAIT 存在的意义，主要是为了防止最后一个 ACK 丢包~~

在四次挥手的过程中，会涉及到确认应答和超时重传，如果没有收到 ACK，就会认为丢包~

如果最后客户端发给服务器的 ACK 在传输过程中丢失，服务器没有收到 ACK 报文，就会认为字节给客户端发送的 FIN 未被确认，就会重传 fin 报文段，如果客户端没有 TIME_WAIT 状态，直接进入 CLOSED 状态，就无法处理和接收重传的 FIN 了。而客户端在 TIME_WAIT 状态中，保存着与该连接的相关的信息，可以接收服务器重传的 fin 并且再次发送 ack，保持连接的正常关闭。

3. 连接管理

建立连接 - 三次挥手

三次握手的意义

断开连接 - 四次挥手

握手和挥手的相似和不同之处

连接管理过程中涉及到的 TCP 状态转换

完！

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