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计算机网络 - 传输层协议 TCP：TCP 为什么握手是 3 次、挥手是 4 次？

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 2024-04-18  阅读(3)
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原文作者：小小工匠 原文地址： https://artisan.blog.csdn.net/article/details/118425080

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TCP 和 UDP 是今天应用最广泛的传输层协议，拥有最核心的垄断地位。今天互联网的整个传输层，几乎都是基于这两个协议打造的。无论是应用开发、框架设计选型、做底层和优化，还是定位线上问题，只要碰到网络，就逃不开 TCP 协议相关的知识。

TCP 协议为什么握手是 3 次，挥手却是 4 次？下面请你带着这个问题，开启今天的学习。

TCP 协议

TCP（Transport Control Protocol）是一个传输层协议，提供 Host-To-Host 数据的可靠传输，支持全双工，是一个连接导向的协议 。

这里面牵涉很多概念，比如主机到主机、连接、会话、双工/单工及可靠性等，接下来逐一解释。

主机到主机（Host-To-Host）

TCP 提供的是 Host-To-Host 传输，一台主机通过 TCP 发送数据给另一台主机。

这里的主机（Host）是一个抽象的概念，可以是手机、平板、手表等。收发数据的设备都是主机，所以双方是平等的。

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TCP 协议往上是应用到应用（Application-To-Application）的协议 。

什么是应用到应用的协议呢？比如你用微信发信息给张三，你的微信客户端、微信聊天服务都是应用。微信有自己的聊天协议，微信的聊天协议是应用到应用的协议；如果微信的聊天协议想要工作，就需要一个主机到主机的协议帮助它实现通信。

而 TCP 上层有太多的应用，不仅仅有微信，还有抖音、网易云音乐……因此 TCP 上层的应用层协议使用 TCP 能力的时候，需要告知 TCP 是哪个应用——这就是端口号。 端口号用于区分应用 ，下文中我们还会详细讨论。

TCP 要实现主机到主机通信，就需要知道主机们的网络地址（IP 地址），但是 TCP 不负责实际地址到地址（Address-To-Address）的传输，因此 TCP 协议把 IP 地址给底层的互联网层处理。

互联网层，也叫网络层（Network Layer），提供地址到地址的通信，IP 协议就在这一层工作 。互联网层解决地址到地址的通信，但是不负责信号在具体两个设备间传递。因此， 网络层会调用下方的链路层在两个相邻设备间传递信息 。当信号在两个设备间传递的时候，科学家又设计出了 物理层封装最底层的物理设备、传输介质等，由最下方的物理层提供最底层的传输能力 。

以上的 5 层架构，我们称为互联网协议群，也称作 TCP/IP 协议群。总结下，主机到主机（Host-To-Host）为应用提供应用间通信的能力。

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什么是连接和会话？

下一个关联的概念是 连接（Connection） ——连接是数据传输双方的契约。

连接是通信双方的一个约定，目标是让两个在通信的程序之间产生一个默契，保证两个程序都在线，而且尽快地响应对方的请求，这就是连接（Connection） 。

设计上，连接是一种传输数据的行为。传输之前，建立一个连接。具体来说，数据收发双方的内存中都建立一个用于维护数据传输状态的对象，比如双方 IP 和端口是多少？现在发送了多少数据了？状态健康吗？传输速度如何？等。所以， 连接是网络行为状态的记录 。

和连接关联的还有一个名词，叫作 会话（Session），会话是应用的行为 。比如微信里张三和你聊天，那么张三和你建立一个会话。你要和张三聊天，你们创建一个聊天窗口，这个就是会话。你开始 Typing，开始传输数据，你和微信服务器间建立一个连接。如果你们聊一段时间，各自休息了，约定先不要关微信，1 个小时后再回来。那么连接会断开，因为聊天窗口没关，所以会话还在。

在有些系统设计中，会话会自动重连（也就是重新创建连接），或者帮助创建连接。 此外，会话也负责在多次连接中保存状态，比如 HTTP Session 在多次 HTTP 请求（连接）间保持状态（如用户信息）。

总结下， 会话是应用层的概念，连接是传输层的概念 。

双工/单工问题

接下来我们聊聊什么是双工/单工。

在任何一个时刻，如果数据只能单向发送，就是单工，所以单工需要至少一条线路 。

如果在某个时刻数据可以向一个方向传输，也可以向另一个方向反方向传输，而且交替进行，叫作半双工；半双工需要至少 1 条线路 。

最后， 如果任何时刻数据都可以双向收发，这就是全双工，全双工需要大于 1 条线路 。 当然这里的线路，是一个抽象概念，你可以并发的处理信号，达到模拟双工的目的。

TCP 是一个双工协议，数据任何时候都可以双向传输 。这就意味着客户端和服务端可以平等地发送、接收信息。正因为如此，客户端和服务端在 TCP 协议中有一个平等的名词——Host（主机）。

什么是可靠性？

TCP 提供可靠性，那么可靠性是什么？

可靠性指数据保证无损传输 。如果发送方按照顺序发送，然后数据无序地在网络间传递，就必须有一种算法在接收方将数据恢复原有的顺序。另外，如果发送方同时要把消息发送给多个接收方，这种情况叫作多播，可靠性要求每个接收方都无损收到相同的副本。多播情况还有强可靠性，就是如果有一个消息到达任何一个接收者，那么所有接受者都必须收到这个消息。

TCP 的握手和挥手

TCP 是一个连接导向的协议，设计有建立连接（握手）和断开连接（挥手）的过程。TCP 没有设计会话（Session），因为会话通常是一个应用的行为 。

TCP 协议的基本操作

TCP 协议有这样几个基本操作：

  • 如果一个 Host 主动向另一个 Host 发起连接，称为 SYN（Synchronization），请求同步；
  • 如果一个 Host 主动断开请求，称为 FIN（Finish），请求完成；
  • 如果一个 Host 给另一个 Host 发送数据，称为 PSH（Push），数据推送。

以上 3 种情况，接收方收到数据后，都需要给发送方一个 ACK（Acknowledgement）响应 。 请求/响应的模型是可靠性的要求，如果一个请求没有响应，发送方可能会认为自己需要重发这个请求。

建立连接的过程（3次握手）

因为要保持连接和可靠性约束，TCP 协议要保证每一条发出的数据必须给返回，返回数据叫作 ACK（也就是响应）。

按照这个思路，我们来可以看看建立连接是不是需要 3 次握手：

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  1. 客户端发消息给服务端（SYN）

  2. 服务端准备好进行连接

  3. 服务端针对客户端的 SYN 给一个 ACK

到这里不就可以了吗？2 次握手就足够了。但其实不是， 因为服务端还没有确定客户端是否准备好了。比如步骤 3 之后，服务端马上给客户端发送数据，这个时候客户端可能还没有准备好接收数据。因此还需要增加一个过程 。

  1. 服务端发送一个 SYN 给客户端

  2. 客户端准备就绪

  3. 客户端给服务端发送一个 ACK

上面不是 6 个步骤吗？ 怎么是 3 次握手呢？下面我们一起分析一下其中缘由。

  • 步骤 1 是 1 次握手；
  • 步骤 2 是服务端的准备，不是数据传输，因此不算握手；
  • 步骤 3 和步骤 4，因为是 同时发生的，可以合并成一个 SYN-ACK 响应 ，作为一条数据传递给客户端，因此是第 2 次握手；
  • 步骤 5 不算握手；
  • 步骤 6 是第 3 次握手。

为了方便理解步骤 3 和步骤 4，这里我画了一张图。可以看到下图中 SYN 和 ACK 被合并了，因此建立连接一共需要 3 次握手，过程如下图所示：

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从上面的例子中，我们可以进一步思考 SYN、ACK、PSH 这些常见的标识位（Flag）在传输中如何表示 。

一种思路是为 TCP 协议增加协议头。在协议头中取多个位（bit），其中 SYN、ACK、PSH 都占有 1 个位。比如 SYN 位，1 表示 SYN 开启，0 表示关闭。因此，SYN-ACK 就是 SYN 位和 ACK 位都置 1。这种设计，我们也称为标识（Flag）。标识位是放在 TCP 头部的

断开连接的过程（4 次挥手）

继续上面的思路，如果断开连接需要几次握手？给一些提示，可以在脑海中这样构思。

  1. 客户端要求断开连接，发送一个断开的请求，这个叫作（FIN）。

  2. 服务端收到请求，然后给客户端一个 ACK，作为 FIN 的响应。

  3. 这里需要思考一个问题，可不可以像握手那样马上传 FIN 回去？

其实这个时候服务端不能马上传 FIN，因为断开连接要处理的问题比较多，比如说 服务端可能还有发送出去的消息没有得到 ACK；也有可能服务端自己有资源要释放 。因此断开连接不能像握手那样操作——将两条消息合并。所以， 服务端经过一个等待，确定可以关闭连接了，再发一条 FIN 给客户端 。

  1. 客户端收到服务端的 FIN，同时客户端也可能有自己的事情需要处理完，比如客户端有发送给服务端没有收到 ACK 的请求，客户端自己处理完成后，再给服务端发送一个 ACK。

经过以上分析，就可以回答上面这个问题了。是不是刚刚好 4 次挥手？过程如下图所示：

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总结

在学习 3 次握手、4 次挥手时，我们一定要理解为什么这么设计，而不是死记硬背。

  • TCP 提供连接（Connection），让双方的传输更加稳定、安全 。
  • TCP 没有直接提供会话 ，因为应用对会话的需求多种多样，比如聊天程序会话在保持双方的聊天记录，电商程序会话在保持购物车、订单一致，所以会话通常在 TCP 连接上进一步封装，在应用层提供。
  • TCP 是一个面向连接的协议（Connection -oriented Protocol ），说的就是 TCP 协议参与的双方（Host）在收发数据之前会先建立连接。相比较UDP 协议， UDP 是一个面向报文（Datagram-oriented）的协议——协议双方不需要建立连接，直接传送报文（数据） 。
  • 最后， 连接需要消耗更多的资源 。比如说，在传输数据前，必须先协商建立连接。因此，不是每种场景都应该用连接导向的协议。像视频播放的场景，如果使用连接导向的协议，服务端每向客户端推送一帧视频，客户端都要给服务端一次响应，这是不合理的。

Question TCP 为什么是 3 次握手，4 次挥手？

让我们来总结下： TCP 为什么是 3 次握手，4 次挥手？

  1. TCP 是一个 双工协议 ，为了让双方都保证，建立连接的时候，连接双方都需要向对方发送 SYC（同步请求）和 ACK（响应）。
  2. 握手阶段双方都没有烦琐的工作，因此一方向另一方发起同步（SYN）之后，另一方可以将自己的 ACK 和 SYN 打包作为一条消息回复，因此是 3 次握手——需要 3 次数据传输 。
  3. 到了挥手阶段，双方都可能有未完成的工作。收到挥手请求的一方，必须马上响应（ACK），表示接收到了挥手请求 。类比现实世界中，你收到一个 Offer，出于礼貌你先回复考虑一下，然后思考一段时间再回复 HR 最后的结果。 最后等所有工作结束，再发送请求中断连接（FIN），因此是 4 次挥手。

来个思考题： 一台内存在 8G 左右的服务器，可以同时维护多少个连接？

tcp连接数上限其实受限于机器的内存，以8G内存为例，假设一个tcp连接需要占用的最小内存是8k（发送接收缓存各4k，当然还要考虑socket描述符），那么最大连接数为：810241024/8=1048576个，即约100万个tcp长连接。不过这只是理论数值，并未考虑实际业务。

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