网络协议基础：TCP 三次握手 / 四次挥手

网络协议基础：TCP 三次握手 / 四次挥手

1. 前言

在互联网的世界里，数据能够有序、可靠地在不同设备之间传输，背后离不开各种网络协议的支撑。其中，传输控制协议（TCP）作为 TCP/IP 协议族中至关重要的一员，凭借其可靠、面向连接、字节流的特性，成为了 HTTP、FTP、SMTP 等众多应用层协议的基础。而 TCP 实现 “可靠连接” 与 “优雅断开” 的核心机制，正是广为人知的 “三次握手” 与 “四次挥手”。本文将从 TCP 的核心特性出发，详细拆解这两个关键过程，帮助读者理解网络通信背后的底层逻辑。

TCP 的核心特性：为何需要 “握手” 与 “挥手”？

在深入讲解 “三次握手” 和 “四次挥手” 之前，我们首先需要明确 TCP 的核心设计目标 ——可靠性。与 UDP（用户数据报协议）的 “无连接、不可靠” 不同，TCP 需要确保数据从发送方到接收方的过程中 “不丢失、不重复、按序到达”。为了实现这一目标，TCP 引入了 “面向连接” 的机制：在数据传输前，通信双方必须先建立一个稳定的 “连接”；数据传输完成后，再通过规范的流程断开连接，避免资源浪费或数据残留。

而 “三次握手” 就是 TCP 建立连接的过程，其核心目的是同步通信双方的序列号（Sequence Number） ，并确认双方的发送和接收能力正常；“四次挥手” 则是 TCP 断开连接的过程，主要用于确保双方都已完成数据传输，避免因一方提前断开导致数据丢失。

2. TCP 连接的生命周期

一个 TCP 连接的生命周期大致分为：

1. 建立连接（三次握手）
2. 数据传输
3. 断开连接（四次挥手）

3. 三次握手（Three-way Handshake）

3.1 目的

• 确认双方的发送与接收能力正常
• 同步双方的初始序列号（ISN）
• 建立可靠的全双工通信通道

3.2 握手过程

3.3 时序图

客户端                                服务器
  | ----------- SYN, seq=x ---------> |
  | <--- SYN, ACK, seq=y, ack=x+1 --- |
  | ----------- ACK, ack=y+1 --------> |

4. 四次挥手（Four-way Handshake）

4.1 目的

• 双方都能独立关闭发送通道
• 确保数据传输完成后再释放连接

4.2 挥手过程

4.3 时序图

主动关闭方                          被动关闭方
  | ----------- FIN, seq=u --------> |
  | <----------- ACK, ack=u+1 ------- |
  | <----------- FIN, seq=v --------- |
  | ----------- ACK, ack=v+1 --------> |

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5. 为什么握手是三次，挥手是四次？

• 三次握手： 因为双方需要交换一次 SYN 并确认对方的 SYN，总共需要三步。
• 四次挥手： TCP 是全双工的，关闭发送和接收通道是独立的，所以需要两对 FIN/ACK。

6. 常见问题与排查技巧

6.1 SYN Flood 攻击

• 攻击者发送大量 SYN 包但不完成握手，导致服务器资源耗尽。
• 防御措施：SYN Cookies、限制半连接队列、启用防火墙规则。

6.2 TIME_WAIT 过多

• 主动关闭方会进入 TIME_WAIT 状态（默认 2MSL 时间）。
• 影响：占用端口资源。
• 优化：调整内核参数（如 tcp_tw_reuse、tcp_tw_recycle），但需谨慎。

7. 总结

• 三次握手：建立连接，确保双方通信能力正常。
• 四次挥手：优雅关闭，确保数据完整传输。
• 掌握 TCP 连接过程，有助于网络调试、安全防护与性能优化。

💡 实战建议： 在抓包工具（如 Wireshark、tcpdump）中观察 TCP 握手/挥手过程，是理解协议的最佳方式。 你可以在测试环境运行：

tcpdump -i eth0 tcp and port 80

然后用浏览器访问 HTTP 服务，直观看到三次握手与四次挥手的全过程。

TCP 的三次握手与四次挥手，是网络通信中 “可靠连接” 与 “优雅断开” 的核心保障。三次握手通过同步序列号和确认收发能力，确保连接建立的可靠性；四次挥手通过分阶段关闭双向通道，避免数据丢失；而TIME-WAIT状态则进一步保障了连接断开后的网络稳定性。

理解这两个过程，不仅能帮助我们更深入地掌握 TCP 协议的设计思想，还能为后续学习 HTTP、HTTPS 等应用层协议，以及排查网络问题奠定坚实的基础。在互联网技术飞速发展的今天，这些底层协议的逻辑始终是构建可靠网络服务的基石。