引子
今天正好是週末，剛好偶然翻到了之前學習計算機網絡的時候做的關於TCP協議、UDP協議的筆記。TCP三次握手、四次揮手又是面試中的高頻考點，正好自己最近也在準備各種面試，這裏就總結一下TCP協議和UDP協議相關的知識點。
TCP協議與UDP協議
TCP協議和UDP協議是運輸層的兩個主要協議。
- TCP：Transmission Control Protocol，傳輸控制協議
- UDP：User Datagram Protocol，用戶數據報協議
兩種協議對比：
| TCP協議 | UDP協議 |
|---|---|
| 面向連接：使用之前要建立連接，使用之後要釋放連接。 | 無連接，面向報文：使用之前不需要建立連接 |
| 提供可靠交付服務。使用TCP連接傳送的數據，無差錯、不丟失、不重複，並且有序。 | 使用 盡最大努力交付，不保證可靠交付。 |
| 每一條TCP連接只能有兩個端點，每一條TCP連接只能是 點對點 的。 | UDP支持一對一、一對多、多對一和多對多的交互通信。 |
| TCP有擁塞控制 | UDP沒有擁塞控制 |
| TCP首部 前20字節固定，後面的 4n 個字節的“選項”可根據需要增加 | UDP首部開銷小，只有 8 字節。 |
| TCP提供 全雙工通信。 |
TCP三次握手
首先介紹幾個關鍵詞：
- seq：序號，Sequence Number。TCP連接傳輸的數據流中的每一個字節都按順序編號，首部中的序號字段指本報文段所發送數據的第一個字節的序號。
- 確認號：期待收到對方下一個報文段的第一個數據字節的序號。在謝老師的書中用了小寫的 ack 表示。
- ACK：確認位，ACKnowledgement。只有ACK=1的時候，確認號字段纔有效。
- SYN：同步位，SYNchronization。在連接建立時用來同步序號。當SYN=1，並且ACK=0時，表明這是一個連接請求報文段。若對方同意連接，則在響應的報文段中使 SYN=1 和 ACK=1。因此，SYN=1 就表示這是一個連接請求或連接接受報文。
- FIN：終止位，FINis。用來釋放一個連接，當 FIN=1 時，表明此報文段發送方的數據已經傳輸完畢，並要求釋放連接。
下面，我們來看看TCP三次握手的示意圖：
具體的流程：
剛開始客戶端和服務端都處於 CLOSED 狀態，而後服務端開啓，處於監聽(LISTEN)狀態，等待客戶端的請求。現在客戶端也開啓，準備請求連接。
- 第一次握手：客戶端向服務端發送一個請求連接報文，報文首部中 同步位SYN=1，同時序號位 seq會被指定一個客戶端對應的初始值，這裏記爲 x。此時，客戶端進入 SYN-SENT 狀態。
- 第二次握手：服務端收到請求報文後，如果同意連接，則向客戶端回覆確認。在確認報文中，同步位SYN和確認位ACK都被置爲1，同時將客戶端的序號 x 加1作爲確認號(ack=x+1)，序號位seq也會被指定爲一個服務端對應的初始值，這裏記爲y。此時，服務端進入 SYN-RCVD 狀態。
- 第三次握手：客戶端收到服務端的確認後，還要向服務端回覆確認。確認報文中，ACK被置爲1，同時將服務端的序號 y 加1作爲確認號(ack=y+1)，並且將自己的序號位值 x 加1作爲新的序號位(seq=x+1)。回覆確認動作完成後，客戶端進入 ESTABLISHED 狀態，當服務端收到客戶端的確認後，服務端也會進入 ESTABLISHED 狀態。
理解了上面這個流程後，這裏有幾個問題：
1、爲什麼要三次握手？兩次不行麼？
| 客戶端得到信息 | 服務端得到信息 | |
|---|---|---|
| 第一次握手 | 客戶端發送正常，服務端接收正常 | |
| 第二次握手 | 客戶端、服務端的發送、接收均正常 | |
| 第三次握手 | 客戶端、服務端的發送、接收均正常 |
三次握手的目的之一是 使雙方都能確認對方的存在，以及雙方的發送、接受功能都正常。如上面的表格：
- 第一次握手後，服務端接收到客戶端的信息，服務端就能夠知道 客戶端的發送功能正常，以及服務端自身的接收功能正常。
- 第二次握手後，客戶端收到服務端的確認消息，就能知道自己之前發送的消息服務端接收到了。客戶端就能夠知道 客戶端自己的發送、接收功能都正常，同時 服務端的發送、接收功能都正常。
- 第三次握手後，服務端收到了客戶端的確認，就知道服務端自己回覆的確認消息客戶端收到了。服務端也就能知道 服務端自己以及客戶端的發送、接收功能都正常。
也就是，經過三次握手後，客戶端、服務端雙方纔能確保 雙方的發送、接收功能均正常，而兩次握手則不行。
對於第三次握手，需要再確認一次的目的是，爲了防止客戶端已失效的連接請求報文段突然又傳送到了服務端，因而產生錯誤。
比如，第一次握手時，客戶端的報文由於網絡等原因，在途中滯留了一段時間，以至於在連接釋放後纔到達服務端。服務端誤以爲這是一次新的連接請求，就回復確認。如果沒有第三次客戶端的確認，那在服務端回覆確認後，連接就建立了，然而客戶端並不理睬服務端的確認，服務端就會一直等待客戶端的數據。這樣就白白浪費了服務端資源。
2、有沒有可能“四次握手”？
如前面圖中，標了 草莓紅 的第二次握手階段，服務端在向客戶端回覆的確認報文段，可以拆成兩個報文段。
如上圖，服務端可以先發送一個確認報文段(ACK=1，ack = x+1)，然後再發送一個同步報文段(SYN=1，seq=y)。這樣的過程就變成了四報文握手，但效果和三次握手是一樣的。
3、三次握手過程中，可以攜帶數據麼？
第三次握手時可以攜帶數據，第一次和第二次不行。
在TCP三次握手示意圖中，我標 藍色 的第三次握手可以攜帶數據。
TCP的標準規定：SYN報文段(即SYN=1的報文段)不能攜帶數據，而ACK報文段可以攜帶數據。如果ACK報文段不攜帶數據，則不消耗序號，否則需要消耗序號。
什麼意思呢？意思就是，如TCP三次握手示意圖，第三次握手時，序號seq=x+1。如果此時不攜帶數據，那下一個數據報文段的序號仍然爲 seq=x+1。如果此時攜帶了序號差爲 t 的數據，那下一個數據報文段的序號就要變爲 seq = x + 1 + t 。
從另一個角度，在第三次握手時，客戶端已經知道 客戶端自己和服務端 的發送、接收功能都正常了，所以攜帶數據也沒問題。
TCP四次揮手
上面請了TCP三次握手建立連接的過程，連接建立後，客戶端服務端開始傳遞數據，數據傳遞完後，需要進行TCP“四次揮手”才能將連接釋放掉。下面就講一講TCP四次揮手的過程。
具體的流程：
剛開是客戶端、服務端都處於 ESTABLISHED 狀態，並可以互傳數據。假設此時客戶端的數據已經傳遞完畢，準備關閉連接了。
- 第一次揮手：客戶端向服務端發送連接釋放報文段，報文首部終止控制位 FIN=1，其序號記爲seq=u（假定前面客戶端已經發送的最後一個字節的序號是 u-1）。同時，客戶端進入 FIN-WAIT-1 狀態。
- 第二次揮手：服務端收到客戶端的連接釋放報文後，會立即回覆確認。確認報文首部 ACK=1，並將客戶端的序號 u 加 1 作爲確認號(ack=u+1)，同時序號記爲 seq=v（假定前面服務端已經發送的最後一個字節的序號是 v-1）。此時，服務端進入 CLOSE-WAIT 狀態。客戶端收到來自服務的確認後，就進入 FIN-WAIT-2 狀態。此時，服務端仍然可以向客戶端傳送數據。
- 第三次揮手：當服務端向客戶端的數據傳送完畢後，服務端也要向客戶端發送連接釋放報文。報文首部終止控制位 FIN和確認位ACK都被置爲1，服務端還必須重複上次已經發送過的確認號 ack=u+1。同時，記現在的序號 seq=w（假定在客戶端釋放連接後，服務端又向客戶端發送了 序號差爲 w-v 的數據）。這時，服務端進入 LAST-ACK 狀態。
- 第四次揮手：客戶端收到服務端的連接釋放報文段，會立即回覆確認。確認報文中，ACK=1，將服務端傳來的序號加1作爲確認號 ack=w+1，自己的序號也變爲 seq=u+1(客戶端發送的上一條報文的序號爲 u，即第一次揮手的報文)。此時，客戶端進入 TIME-WAIT 狀態。當服務端收到確認報文後，服務端進入 CLOSED狀態。
需要注意的是，上面第四次揮手，當客戶端回覆確認報文後，進入TIME_WAIT 狀態。此時，TCP連接仍然沒有被釋放。當客戶端回覆完確認報文後，需要在 TIME_WAIT 狀態等待一段時間(一般是2個最長報文段壽命，記爲 2MSL，建議1MSL=2分鐘)，纔會進入 CLOSED 狀態。
這裏，又有幾個問題：
1、客戶端爲什麼必須要在 TIME_WAIT 狀態等待 2MSL 呢？
這裏有兩個理由：
- 第一，保證客戶端發送的最後一個ACK報文能夠到達服務端。
這個ACK報文是有可能會丟失的，因而處在 LAST-ACK 狀態下的服務端收不到客戶端對已發送的 FIN+ACK 報文（第三次揮手）的確認。服務端會超時重傳這個 FIN+ACK 報文段，接着客戶端就能在 2MSL時間內收到這個重傳的 FIN+ACK 報文段。接着客戶端會重新回覆ACK確認報文，並且重新計時 2MSL。這樣，客戶端和服務端就能正常進入 CLOSED 狀態。
如果客戶端在 TIME_WAIT 狀態不等待，而是在發送完 ACK 報文後立即釋放連接，如果此ACK報文段丟失，那就收不到服務端重傳的 FIN+ACK報文，也就無法正常回復確認，這樣可能造成服務端一直等待確認，無法正常進入 CLOSED 狀態。
- 第二，防止已失效的連接請求報文段出現在本連接中。
客戶端再發送完最後一個ACK報文段後，再經過2MSL，就可以使本連接持續時間內所產生的所有報文段都從網絡中消失。這樣，下一個新的連接中就不會出現舊的連接請求報文段。
總結
TCP三次握手、四次揮手面試也被問到過很多次了，自己也是看了很多次了。這一次，又仔細認真地對照着書籍學習了一遍，終於搞懂了其中序號、確認號的變化關係了。理解着去學習，又學到了很多。加油！
參考文檔
1、《計算機網絡》第七版，謝希仁 著，第五章