TCP 三次握手与四次挥手详解

TCP 是面向连接的、可靠的传输层协议。建立连接时的「三次握手」和断开连接时的「四次挥手」是计算机网络中最经典的知识点，也是 408 和面试的高频考点。

三次握手（Three-Way Handshake）

TCP 建立连接需要三个步骤，确保双方都能发送和接收数据。

sequenceDiagram
    participant C as 客户端
    participant S as 服务端
    C->>S: SYN, seq=x
    Note right of S: SYN_RCVD
    S->>C: SYN+ACK, seq=y, ack=x+1
    Note left of C: ESTABLISHED
    C->>S: ACK, ack=y+1
    Note right of S: ESTABLISHED

每一步发生了什么

1. 第一次握手（SYN）：客户端发送 SYN 报文（SYN=1, seq=x），进入 SYN_SENT 状态。
2. 第二次握手（SYN+ACK）：服务端回复 SYN+ACK（SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1），进入 SYN_RCVD 状态。
3. 第三次握手（ACK）：客户端发送 ACK（ACK=1, ack=y+1），双方进入 ESTABLISHED 状态。连接建立完成。

为什么是三次而不是两次？

核心原因：防止已失效的连接请求到达服务端，导致资源浪费。

假设只有两次握手：客户端发送了一个 SYN，但因为网络延迟迟迟没到达。客户端超时后重发 SYN，完成了连接和数据传输。此后那个迟到的 SYN 到达服务端，服务端以为是新连接，回复 SYN+ACK 后进入 ESTABLISHED，一直等待数据——但客户端根本不会发送，服务端白白浪费资源。

三次握手可以避免这个问题：服务端回复 SYN+ACK 后处于 SYN_RCVD，如果没有收到第三次 ACK，不会真正建立连接。

四次挥手（Four-Way Wavehand）

TCP 是全双工的，断开连接需要双方各自独立关闭自己的发送通道。

sequenceDiagram
    participant C as 主动关闭方
    participant S as 被动关闭方
    C->>S: FIN, seq=u
    Note left of C: FIN_WAIT_1
    S->>C: ACK, ack=u+1
    Note right of S: CLOSE_WAIT
    Note left of C: FIN_WAIT_2
    S->>C: FIN, seq=w
    Note right of S: LAST_ACK
    C->>S: ACK, ack=w+1
    Note left of C: TIME_WAIT 2MSL
    Note right of S: CLOSED
    Note left of C: CLOSED

1. 第一次挥手（FIN）：主动关闭方发送 FIN，表示「我没有数据要发了」。
2. 第二次挥手（ACK）：被动关闭方回复 ACK。此时被动关闭方可能还有数据要发，处于 CLOSE_WAIT 半关闭状态。
3. 第三次挥手（FIN）：被动关闭方发送完剩余数据后，发送 FIN。
4. 第四次挥手（ACK）：主动关闭方回复 ACK，进入 TIME_WAIT 状态，等待 2MSL 后关闭。

为什么主动关闭方要 TIME_WAIT？

TIME_WAIT 持续 2MSL（Maximum Segment Lifetime），有两个原因：

1. 保证最后一个 ACK 到达：如果 ACK 丢失，被动关闭方会重发 FIN。主动关闭方在 TIME_WAIT 期间还能收到重传的 FIN 并重新发送 ACK。
2. 防止旧报文干扰新连接：2MSL 足够让本次连接中的残留报文在网络中消失。

MSL 是报文最大生存时间，RFC 793 建议 2 分钟，Linux 默认 30 秒。

常见面试题速记

问题	关键回答
为什么三次握手？	防止失效的连接请求浪费服务端资源
为什么四次挥手？	TCP 全双工，每个方向需单独关闭
TIME_WAIT 为什么 2MSL？	保证最后 ACK 到达 + 让旧报文消失
SYN 攻击是什么？	伪造大量 SYN，服务端 SYN_RCVD 队列满

小结

三次握手确保连接双向可达，四次挥手确保全双工通道各自独立关闭。TIME_WAIT 是设计上的必要妥协。理解每个状态机的转换条件，是掌握 TCP 的基础。