一、3次握手、4次挥手的简单描述

1、3次握手

三次握手（Three-way Handshake）指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务器总共发送3个包。流程简单描述如下图所示：

在socket编程中，客户端执行connect()时，将触发三次握手。开始时客户端处于 closed 的状态，服务端处于 listen 状态。

（1）第1次握手：客户端给服务端发一个 SYN 报文（SYN=1），随机产生1个初始化序列号seq，（比如seq=x）等待服务器端确认。此时客户端处于 SYN，_SEND 状态。

（2）第2次握手：服务器端收到数据包后由标志位SYN=1知道客户端请求建立连接，服务器端将TCP报文标志位SYN和ACK都置为1，ack=x+1，随机产生一个序号值seq（比如seq=k），并将该数据包发送给客户端以确认连接请求。此时服务器端进入SYN_RCVD状态。

（3）第3次握手：客户端收到 SYN 报文之后，检查ACK是否=1，ack是否=x + 1。然后客户端会发一个ACK包，包的ACK=1，ack=k+1。此时客户端处于 ESTABLISHED 状态。服务器收到 ACK 报文之后，也处于 ESTABLISHED 状态。完成3次握手后，客户端与服务器端之间就可以传输数据了。

2、4次挥手

4次挥手即终止TCP连接，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。

（1）第1次挥手：客户端发送一个 FIN 报文（FIN=1），报文中会指定一个序列号seq（比如seq=u）。此时客户端处于 FIN_WAIT1 状态。

此时客户端停止发送数据，主动关闭TCP连接，进入FIN_WAIT1状态，等待服务端的确认。

（2）第2次挥手：服务端收到 FIN 之后，会发送 ACK 报文，ack=u+1，随机产生一个序号值seq=v，表明已经收到客户端的报文了，此时服务端处于 CLOSE_WAIT 状态。

此时的TCP处于半关闭状态，客户端到服务端的连接释放。客户端收到服务端的确认后，进入FIN_WAIT2状态，等待服务端发出的连接释放报文段。

（3）第3次挥手：如果服务端也想断开连接，和客户端的第1次挥手一样，发 FIN 报文，且指定一个序列号seq（比如seq=w）。此时服务端处于 LAST_ACK 的状态。

（4）第4次挥手：客户端收到 FIN 之后，也发送 ACK 报文，ack=w+1，此时客户端处于 TIME_WAIT 状态。客户端需要等2MSL的时间以确保服务端收到自己的 ACK 报文之后才会进入 CLOSED 状态，服务端收到 ACK 报文之后，就处于 CLOSED 状态了。

MSL：报文的最长生存时间。那到底2MSL是多长时间呢？
规定是MSL为2分钟，2MSL就是4分钟。但是实际中30秒、1分钟、2分钟都在使用。

二、TCP协议头部格式

网络中传输的数据包由两部分组成：一部分是协议所要用到的首部，另一部分是上一层传过来的数据。首部的结构由协议的具体规范详细定义。

（1）源端口: 占16bit，写入源端口号。 
（2）目的端口: 占16bit，写入目的端口号。源端口号和目地端口各占16bit两个字节，也就是端口的范围是2^16=65535。另外1024以下是系统保留的，从1024-65535是用户使用的端口范围。

（3）序号（seq）: 占32bit，取值范围[0,2^32-1]，一个传输方向上的字节流的每个字节的序号，通过这个来确认发送的数据有序。序号增加到最后一个后，下一个序号就又回到0。
（4）确认号（ack）: 占32比特，取值范围[0,2^32-1]，对上一次seq序号做出的确认号，用来响应TCP报文段，值是seq+1。若确认号=n，则表明到序号n-1为止的所有数据都已正确接收，期望接收序号为n的数据。

（5）同步标志位SYN: 用于建立会话连接，同步序列号。
（6）确认标志位ACK: 取值为1时确认号字段才有效；取值为0时确认号字段无效。TCP规定，在连接建立后所有传送的TCP报文段都必须把ACK置1。
（7）终止标志位FIN: 用来释放TCP连接。
（8）复位标志位RST: 用来复位TCP连接。
（9）推送标志位PSH: 接收方的TCP收到该标志位为1的报文段会尽快上交给上层应用，而不必等到接收缓存都填满后再向上交付。

（10）数据偏移: 占4比特，并以4字节为单位。用来指出TCP报文段的数据载荷部分的起始处距离TCP报文段的起始处有多远。这个字段实际上是指出了TCP报文段的首部长度。
（11）窗口: 占16比特，以字节为单位。指出发送本报文段的一方的接收窗。
（12）校验和: 占16比特，检查范围包括TCP报文段的首部和数据载荷两部分。在计算校验和时，要在TCP报文段的前面加上12字节的伪首部。
（13）紧急指针: 占16比特，以字节为单位，用来指明紧急数据的长度。
（14）填充：由于选项的长度可变，因此使用填充来 确保报文段首部能被4整除，(因为数据偏移字段，也就是首部长度字段，是以4字节为单位的)。

三、几个知识点

1、为什么需要3次握手？2次不行吗？

一个完整的TCP连接，必须保证：

（1）客户端必须得出结论：服务端的接收、发送能力正常；客户端自己的接收、发送能力正常。

（2）服务端必须得出结论：客户端的接收、发送能力正常；服务器自己的发送、接收能力正常。

第1次握手：客户端发送网络包，服务端收到了。
这样服务端就能得出结论：客户端的发送能力、服务端的接收能力是正常的。
第2次握手：服务端发包，客户端收到了。
这样客户端就能得出结论：服务端的接收、发送能力，客户端的接收、发送能力是正常的。不过此时服务器并不能确认客户端的接收能力是否正常。
第3次握手：客户端发包，服务端收到了。这样服务端就能得出结论：客户端的接收、发送能力正常，服务器自己的发送、接收能力也正常。

2、什么是半连接队列？

（1）半连接队列: 服务器第一次收到客户端的 SYN 之后，就会处于 SYN_RCVD 状态，此时双方还没有完全建立其连接，服务器会把此种状态下请求连接放在一个队列里，我们把这种队列称之为半连接队列。
（2）全连接队列: 就是已经完成三次握手，建立起的连接就会放在全连接队列中。如果队列满了就有可能会出现丢包现象。

3、SYN-ACK 重传次数的问题
服务器发送完SYN-ACK包，如果未收到客户确认包，服务器进行首次重传，等待一段时间仍未收到客户确认包，进行第二次重传。如果重传次数超过系统规定的最大重传次数，系统将该连接信息从半连接队列中删除。
注意，每次重传等待的时间不一定相同，一般会是指数增长，例如间隔时间为 1s、2s、4s、8s…

4、ISN(Initial Sequence Number)是固定的吗？

ISN就是赋给seq的值。ISN随时间而变化，每个连接都将具有不同的ISN。ISN可以看作是一个32比特的计数器，每4ms加1 。这样做的目的：

（1）防止在网络中被延迟的分组在以后又被传送。
（2）3次握手的其中一个重要功能是客户端和服务端交换 ISN，以便让对方知道接下来接收数据的时候如何按序列号组装数据。如果 ISN 是固定的，攻击者很容易猜出后续的确认号。

5、3次握手过程中可以携带数据吗？

第1次、第2次握手不可以携带数据。
第3次的话，此时客户端已经处于 ESTABLISHED 状态。对于客户端来说，他已经建立起连接了，并且也已经知道服务器的接收、发送能力是正常的了，所以能携带数据。

6、什么是SYN攻击？

SYN攻击就是Client在短时间内伪造大量不存在的IP地址，并向Server不断地发送SYN包，Server则回复ACK包，并等待Client确认，由于源地址不存在，因此Server需要不断重发直至超时，这些伪造的SYN包将长时间占用未连接队列，导致正常的SYN请求因为队列满而被丢弃，从而引起网络拥塞甚至瘫痪。SYN 攻击是一种典型的 DoS/DDoS 攻击。

7、2MSL等待状态

报文段最大生存时间MSL（Maximum Segment Lifetime），它是任何报文段被丢弃前在网络内的最长时间。

8、四次挥手释放连接时，等待2MSL的意义?

为了保证客户端发送的最后一个ACK报文段能够到达服务器。
因为这个ACK有可能丢失，从而导致处在LAST-ACK状态的服务器收不到对FIN-ACK的确认报文。服务器会超时重传这个FIN-ACK，接着客户端再重传一次确认，重新启动时间等待计时器。最后客户端和服务器都能正常的关闭。假设客户端不等待2MSL，而是在发送完ACK之后直接释放关闭，一但这个ACK丢失的话，服务器就无法正常的进入关闭连接状态。

参考：

（1）深入浅出TCP三次握手 （多图详解）

（2）一文彻底搞懂 TCP三次握手、四次挥手过程及原理

（3）面试官，不要再问我三次握手和四次挥手