TCP三次握手与四次挥手详解

1 传输控制协议（TCP）三次握手过程

TCP三次握手机制是面向连接的传输层协议实现可靠通信的核心流程，通过三次交互验证通信双方的收发能力，并同步连接状态，具体步骤如下：

1.1 第一次握手：客户端发起连接请求

客户端向服务器端发送同步序列编号（Synchronize Sequence Numbers, SYN） 数据包，报文格式满足：

• 控制位：SYN=1（标识连接建立请求）；
• 序列号：seq=x（客户端生成的随机初始序列号，用于后续数据段排序）。
• 发送后，客户端进入SYN_SENT状态，等待服务器端确认。
• 核心功能：验证服务器端的接收能力，传递“客户端请求建立连接且数据发送起始序列号为x”的控制信息。

1.2 第二次握手：服务器端确认并同步状态

服务器端接收SYN数据包后，向客户端回复同步-确认（Synchronize-Acknowledgment, SYN-ACK） 数据包，报文格式满足：

• 控制位：SYN=1（服务器端同步连接状态）、ACK=1（确认接收客户端请求）；
• 序列号：seq=y（服务器端生成的随机初始序列号）；
• 确认号：ack=x+1（期望接收客户端下一个序列号为x+1的数据段，验证客户端发送能力）。
• 发送后，服务器端进入SYN_RCVD状态，等待客户端最终确认。
• 核心功能：验证客户端的接收能力，同步服务器端的初始序列号，实现连接状态的双向交互。

1.3 第三次握手：客户端最终确认

客户端接收SYN-ACK数据包后，向服务器端发送确认（Acknowledgment, ACK） 数据包，报文格式满足：

• 控制位：ACK=1（确认接收服务器端同步请求）；
• 序列号：seq=x+1（遵循TCP序列号连续性原则，基于第一次握手的seq=x递增）；
• 确认号：ack=y+1（期望接收服务器端下一个序列号为y+1的数据段，验证服务器端发送能力）。
• 发送后，客户端进入ESTABLISHED状态；服务器端接收ACK后同样进入ESTABLISHED状态。
• 核心功能：完成双方收发能力的最终验证，TCP连接正式建立，数据传输通道开放。

2 TCP四次挥手过程

TCP四次挥手是终止全双工连接的标准化流程，需分别关闭通信双方的发送流，具体步骤如下：

2.1 第一次挥手：主动关闭方发起断开请求

主动关闭方（客户端或服务器）向对方发送结束序列编号（Finish Sequence Numbers, FIN） 数据包，报文格式满足：

• 控制位：FIN=1（标识关闭主动方到被动方的发送流）；
• 序列号：seq=u（基于已传输数据的序列号递增）。
• 发送后，主动关闭方进入FIN_WAIT_1状态，等待被动方确认。
• 核心功能：告知被动关闭方“主动方已完成数据发送，请求关闭自身发送流”。

2.2 第二次挥手：被动关闭方确认关闭请求

被动关闭方接收FIN数据包后，立即回复ACK数据包，报文格式满足：

• 控制位：ACK=1；
• 确认号：ack=u+1（确认接收主动方的FIN请求）。
• 发送后，被动关闭方进入CLOSE_WAIT状态（可继续向主动方发送未完成数据），主动关闭方收到ACK后进入FIN_WAIT_2状态。
• 核心功能：确认接收关闭请求，保留被动方的发送流以传输剩余数据。

2.3 第三次挥手：被动关闭方发起断开请求

被动关闭方完成所有数据传输后，向主动关闭方发送FIN数据包，报文格式满足：

• 控制位：FIN=1；
• 序列号：seq=w（基于被动方已传输数据的序列号递增）。
• 发送后，被动关闭方进入LAST_ACK状态，等待主动方确认。
• 核心功能：告知主动关闭方“被动方已完成数据发送，请求关闭自身发送流”。

2.4 第四次挥手：主动关闭方最终确认

主动关闭方接收FIN数据包后，回复ACK数据包，报文格式满足：

• 控制位：ACK=1；
• 确认号：ack=w+1（确认接收被动方的FIN请求）。
• 发送后，主动关闭方进入TIME_WAIT状态（等待2MSL以确保网络中残留报文失效），被动关闭方接收ACK后进入CLOSED状态。主动关闭方等待2MSL后也进入CLOSED状态，连接彻底终止。

3 三次握手与四次挥手的底层逻辑

3.1 三次握手的必要性

• 防止历史连接干扰：若仅两次握手，延迟的旧SYN报文可能导致服务器端误建立无效连接（客户端已忽略该请求），第三次握手通过客户端最终确认避免此类问题。
• 验证双向收发能力：三次交互分别验证“服务器接收→客户端接收+服务器发送→客户端发送”的全链路有效性，为可靠数据传输奠定基础。

3.2 四次挥手的必要性

• 全双工通信的独立性：TCP双工通道需独立关闭，被动关闭方收到FIN后需先确认（第二次挥手），待数据传输完毕后再发送FIN（第三次挥手），因此无法合并为三次交互。

总结

• TCP三次握手通过“请求-同步-确认”机制确保连接建立的可靠性，四次挥手通过“关闭请求-确认-反向关闭请求-最终确认”流程实现全双工连接的有序终止，二者共同构成TCP协议可靠通信的核心基础。