理解 TCP（三）：连接的建立和释放

更好阅读体验：《理解 TCP 和 UDP》— By Gitbook

TCP 的整个交流过程可以总结为：先建立连接，然后传输数据，最后释放链接。

三次握手，建立连接

TCP 连接建立要解决的首要问题就是：要使每一方能够确知对方的存在。

三次握手就像，在一个黑暗的森林，你知道前方十点钟方向好像有人。
你喊了一句：Hello？I'am JerryC，Who are you？
对面回了一句：Hi! I'am David, and nice to meet you!
然后你回了一句：Nice to meet you too!
......(自此，你们才算真正认识了双方，开始了后面省略3000字的谈话)

所以说，两个人需要交朋友（两个端点需要建立连接），至少需要三次的通话（握手）

其实，网络上的传输是没有连接的，TCP 也是一样的。
而 TCP 所谓的「连接」，其实只不过是在通信的双方维护一个「连接状态」，让它看上去好像有连接一样。

连接建立过程

TCP 连接的建立采用客户服务器方式，主动发起连接建立的一方叫客户端（Client），被动等待连接建立的一方叫服务器（Server）。

最初的时候，两端都处于 CLOSED 的状态，然后服务器打开了 TCP 服务，进入 LISTEN 状态，监听特定端口，等待客户端的 TCP 请求。

第一次握手：
客户端主动打开连接，发送 TCP 报文，进行第一次握手，然后进入 SYN_SEND 状态，等待服务器发回确认报文。
这时首部的同步位 SYN = 1，同时初始化一个序号 Sequence Number = J。
TCP 规定，SYN 报文段不能携带数据，但会消耗一个序号。

第二次握手：
服务器收到了 SYN 报文，如果同意建立连接，则向客户端发送一个确认报文，然后服务器进入 SYN_RCVD 状态。
这时首部的 SYN = 1，ACK = 1，而确认号 Acknowledgemt Number = J + 1，同时也为自己初始化一个序号 Sequence Number = K。
这个报文同样不携带数据。

第三次握手：
客户端收到了服务器发过来的确认报文，还要向服务器给出确认，然后进入 ESTABLISHED 状态。
这时首部的 SYN 不再置为 1，而 ACK = 1，确认号 Acknowledgemt Number = K + 1，序号 Sequence Number = J + 1。
第三次握手，一般会携带真正需要传输的数据，当服务器收到该数据报文的时候，就会同样进入 ESTABLISHED 状态。
此时，TCP 连接已经建立。

对于建立连接的三次握手，主要目的是初始化序号 Sequence Number，并且通信的双方都需要告知对方自己的初始化序号，所以这个过程也叫 SYN。
这个序号要作为以后的数据通信的序号，以保证应用层接收到的数据不会因为网络上的传输问题而乱序，因为TCP 会用这个序号来拼接数据。

利用连接设计缺陷实施 TCP Flood 攻击

知道了 TCP 建立一个连接，需要进行三次握手。
但如果你开始思考「三次握手的必要性」的时候，就会知道，其实网络是很复杂的，一个信息在途中丢失的可能性是有的。
如果数据丢失了，那么，就需要重新发送，这时候就要知道数据是否真的送达了。
这就是三次握手的必要性。
但是再向深一层思考，你给我发信息，我收到了，我回复，因为我是君子。
如果是小人，你给我发信息，我就算收到了，我也不回复，你就一直等我着我的回复。
那么很多小人都这样做，你就要一直记住你在等待着小人1号、小人2号、小人3号......直到你的脑容量爆棚，烧坏脑袋。
黑客就是利用这样的设计缺陷，实施 TCP Flood 攻击，属于 DDOS 攻击的一种。
想了解更多 SYN Flood 攻击请看：SYN flood - wiki

四次挥手，释放连接

TCP 有一个特别的概念叫做半关闭，这个概念是说，TCP 的连接是全双工（可以同时发送和接收）的连接，因此在关闭连接的时候，必须关闭传送和接收两个方向上的连接。
客户端给服务器发送一个携带 FIN 的 TCP 结束报文段，然后服务器返回给客户端一个 确认报文段，同时发送一个 结束报文段，当客户端回复一个 确认报文段 之后，连接就结束了。

释放连接过程

在结束之前，通信双方都是处于 ESTABLISHED 状态，然后其中一方主动断开连接。
下面假如客户端先主动断开连接。

第一次挥手：
客户端向服务器发送结束报文段，然后进入 FIN_WAIT_1 状态。
此报文段 FIN = 1， Sequence Number = M。

第二次挥手：
服务端收到客户端的结束报文段，然后发送确认报文段，进入 CLOSE_WAIT 状态。
此报文段 ACK = 1， Sequence Number = M + 1。

客户端收到该报文，会进入 FIN_WAIT_2 状态。

第三次挥手：
同时服务端向客户端发送结束报文段，然后进入 LAST_ACK 状态。
此报文段 FIN = 1，Sequence Number = N。

第四次挥手：
客户端收到服务端的结束报文段，然后发送确认报文段，进入 TIME_WAIT 状态，经过 2MSL 之后，自动进入 CLOSED 状态。
此报文段 ACK = 1, Sequence Number = N + 1。

服务端收到该报文之后，进入 CLOSED 状态。

关于 TIME_WAIT 过渡到 CLOSED 状态说明：
从 TIME_WAIT 进入 CLOSED 需要经过 2MSL，其中 MSL 就叫做 最长报文段寿命（Maxinum Segment Lifetime），根据 RFC 793 建议该值这是为 2 分钟，也就是说需要经过 4 分钟，才进入 CLOSED 状态。

参考

《后台开发 核心技术与应用实践》
《计算机网络》