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三次握手、四次挥手

NOTE：要理解 TCP 的三次握手、四次挥手流程，首先需要对 TCP Header 有一个清晰的了解。

1、三次握手：建立 TCP 连接

1. Client 调用 connect() 请求建立连接，发送 Segment（SYN=1，Seq=x）到 Server，Client 进入 SYN_SENT（已发送 SYN）状态，并等待 Server 响应；

2. Server 调用 listen() 监听到连接请求，收到 SYN=1 后，理解了有连接请求到来。继续调用 accept() 接收连接请求，响应 Segment（SYN=1，ACK=x+1，Seq=y），Server 进入 SYN_RECV（接收到 SYN）状态；

3. TCP Client 收到 ACK=x+1 后，理解了 Server 已经确认了自己的 ISN=x，然后进入 ESTABLISHED（已建立连接）状态，并响应 Segment（ACK=y+1）给 Server。Server 收到后 ACK=y+1 后，理解了 Client 已经确认了自己的 ISN=y，也进入到 ESTABLISHED（已建立连接）状态。

为什么需要三次握手？

TCP 连接建立的三次握手，主要有 2 个作用：

1. 确认 C/S 双方的 TCP Segment 收、发功能正常。
2. C/S 双方彼此确定对方的 ISN（Initial Sequence Number，初始序列号），例如：上述 TCP Client ISN=x，TCP Server 返回 ACK=x+1 表示已确定。同理，TCP Server ISN=y，TCP Client 返回 ACK=y+1 表示已确定。

之所以这么设计，主要有 2 个原因：

1. TCP 将上层 Payload 当作字节流来处理，不会尝试理解 Payload 的含义，所以 TCP Seqments 需要保证准确的顺序切分和重组，否则 Payload 乱序。ISN 和 ACK 就用于保证顺序。

2. ISN 对应 TCP Header 中的 Sequence Number（序列号）字段，长度为 32bit，取值范围为 0～2^32-1，并非无限大。所以 TCP C/S 会循环使用各自的 Seq，不会每次建立连接都从 0 开始，所以需要告知对方自己当前的 Seq Number。继而结合 ACK=n+1 来表达顺序。

而且，Linux Kernel 实现的 TCP 协议会以每 4μs 一次的频率进行 ISN+=1 操作，以此来避免 TCP 重连时，出现在同一条连接中存在 2 个及以上 Seq Number 相同的 Segment，从而导致顺序错乱。

2、数据传输

建立 TCP 连接之后，TCP C/S 双方都确认了对方的 ISN，开始通过 read() / write() 进行有序传输。

1. TCP Client 调用 write()，发送 Segment（Seq=x+1，ACK=y+1）。
2. TCP Server 接收 Segment（Seq=x+1，ACK=y+1）后，继续调用 read()，返回 Segment（ACK=x+2）。

3、四次挥手：断开 TCP 连接

1. Client 调用 close()，发送 Segment（FIN=1，Seq=x+2，ACK=y+1），然后进入 FIN_WAIT_1（等待结束 1 阶段）状态。

2. Server 接收到 FIN=1，理解了 Client 请求释放连接，然后进入 CLOSE_WAIT（等待关闭）状态，并返回 Segment（ACK=x+3）。

3. Client 接收到 ACK=x+3 后，进入 FIN_WAIT_2（等待结束 2 阶段）；不等 Client 返回 ACK，Server 继续调用 close()，发送 Segment（FIN=1，Seq=y+1），并进入 LAST_ACK（最后确认）状态。

4. Client 接收到 FIN=1，理解了 Server 请求释放连接，并返回 Segment（ACK=y+2），进入 CLOSED（以释放状态）。Server 接收到 ACK=y+2 后，也进入 CLOSED 状态。

为什么需要四次挥手？

因为 TCP 连接是一种全双工的对等双向传输模式，双方很可能在同时收发数据。因此，当一方完成了所有的数据传输并想要关闭连接时，需要通知对方并等待对方的确认。

所以，TCP 释放连接需要四次挥手的主要原因是为了确保 C/S 双方都能够安全地关闭连接，并且可以保证数据的可靠传输。

1. Client 发出第一个 FIN=1，表示 Client 已经完成了所有的数据传输。
2. Server 发出第二个 FIN=1，表示 Server 也已经完成了所有的数据传输。

TCP 连接的状态机

Client 状态机

Server 状态机

TCP 连接的设计模式

实际上 TCP 协议标准并没有长连接、短连接的概念，只有 Keepalive 的概念。长连接、短连接只在于 TCP Application 的运行模式不同而已，本质是一种 Application 的设计模式。

短连接

TCP 短连接，即：C/S 双方在 connect() 建立连接之后，仅完成了一次 Read 和 Write 之后，即由任意一方 close() 发起关闭连接（通常由 Client 发起）。

短连接的优点是：管理简单，存在的连接都是有用的连接。

缺点是：假如 Server 处理请求连接过程非常耗时， 或者意外宕机， 此时 Client 会陷入长时间的等待状态。

长连接

TCP 长连接，即：C/S 双方在 connect() 建立连接之后，双方均不会主动关闭，在后续的 Read / Write 操作仍会继续使用这个连接。

相比于短连接，长连接的优点是：

1. 较低的延时：无需多次进行三次握手、四次挥手。
2. 较低的带宽占用：减少三次握手、四次挥手流量。
3. 较少的系统资源占用：一个连接可用于多次读写，C/S 双方只需维护更少量的 Socket 资源。

缺点是：

1. 管理复杂，Server 需要甄别哪些连接是有效的，哪些连接没有在用是应该被释放的。否则会存在大量的无用连接，浪费资源。所以，Server 通常需要限制 Client 的最大连接数。