Blog of DesainTCP 的三次握手和四次挥手
什么是三次握手？为什么需要三次握手？
三次握手其实就是指在建立一次 TCP 连接时，需要客户端和服务器总共发送三个包。
进行三次握手的主要作用：
- 确认通信双方的接收能力和发送能力是否正常。
- 指定自己的初始化序列号为后面的可靠性传送做准备。（连接服务器指定端口，建立TCP连接，并同步连接双方的序列号和确认号，交换TCP窗口大小信息）
三次握手的过程
开始时，客户端处于 Closed 状态，服务端处于 Listen 状态。
- 第一次握手：
客户端向服务器发送一个 SYN 报文，并指明客户端的初始化序列号 ISN，此时客户端处于 SYN_SEND 状态。
TIP
首部的同步位 SYN=1，初始序号 seq=x，SYN=1 的报文段不能携带数据，但要消耗掉一个序号。
- 第二次握手：
服务器收到 SYN 报文后，会以自己的 SYN 报文作为应答，也会指定自己的初始化序列号 ISN。同时把客户端的 ISN + 1 作为 ACK 的值，表示自己已经收到了客户端的 SYN，此时服务器处于 SYN_REVD 状态。
TIP
在确认报文段中 SYN=1，ACK=1，确认号 ack=x+1，初始序号 seq=y
- 第三次握手：
客户端收到 SYN 报文后，会发送一个 ACK 报文（值为服务器的 ISN + 1），表示已经收到了服务器的 SYN 报文，此时客户端处于 ESTABLISHED 状态。
服务器收到 ACK 报文之后，也处于 ESTABLISHED 状态，此时，双方成功建立连接。
TIP
确认报文段ACK=1，确认号ack=y+1，序号seq=x+1（初始为seq=x，第二个报文段所以要+1），ACK报文段可以携带数据，不携带数据则不消耗序号。
简单来说就是以下三步：
- 第一次握手： 客户端向服务端发送连接请求报文段。该报文段中包含自身的数据通讯初始序号。请求发送后，客户端便进入 SYN-SENT 状态。
- 第二次握手： 服务端收到连接请求报文段后，如果同意连接，则会发送一个应答，该应答中也会包含自身的数据通讯初始序号，发送完成后便进入 SYN-RECEIVED 状态。
- 第三次握手： 当客户端收到连接同意的应答后，还要向服务端发送一个确认报文。客户端发完这个报文段后便进入 ESTABLISHED 状态，服务端收到这个应答后也进入 ESTABLISHED 状态，此时连接建立成功。
TCP 三次握手的建立连接的过程其实就是相互确认初始序号的过程，告诉对方，什么样序号的报文段能够被正确接收。
第三次握手的作用是客户端对服务器端的初始序号的确认。如果只使用两次握手，那么服务器就没有办法知道自己的序号是否已被确认。
同时这样也是为了防止失效的请求报文段被服务器接收，而出现错误的情况。
为什么不能两次握手呢？
假设客户端发出连接请求，但因连接请求报文丢失而未收到确认，于是客户端再重传一次连接请求。
后来收到了确认，成建立了连接。数据传输完毕后，就释放了连接，客户端共发出了两个连接请求报文段，其中第一个丢失，第二个到达了服务端。
但第一个丢失的报文段只是在某些网络结点长时间滞留了，延误到连接释放以后的某个时间才到达服务端，此时服务端误认为客户端又发出一次新的连接请求，于是就向客户端发出确认报文段，同意建立连接。
不采用三次握手，只要服务端发出确认，就建立新的连接了，此时客户端会忽略服务端发来的确认，也不发送数据，则服务端会一直等待客户端发送数据，浪费资源。
四次挥手
开始时，双方都处于 ESTABLISHED 状态，加入是客户端先发起关闭请求。
四次挥手的过程如下：
- 第一次挥手：客户端发送一个 FIN 报文，报文中指定一个序列号。此时客户端处于 FIN_WAIT1 状态。
TIP
即先发出连接释放报文段（FIN = 1，序号 seq = u），再停止发送数据，主动关闭 TCP 连接，接着进入 FIN_WAIT1（终止等待1）状态，等待服务端确认。
- 第二次挥手：服务器收到 FIN 之后，发送 ACK 报文，并把客户端的序列号值 + 1 作为 ACK 报文的序列号值，表示已经收到了客户端的报文，此时服务器处于 CLOSE_WAIT 状态。
TIP
即服务端收到连接释放报文段后即发出确认报文段（ACK=1，确认号ack=u+1，序号seq=v），服务端进入CLOSE_WAIT（关闭等待）状态，此时的TCP处于半关闭状态，客户端到服务端的连接释放。客户端收到服务端的确认后，进入FIN_WAIT2（终止等待2）状态，等待服务端发出的连接释放报文段。
- 第三次挥手：如果此时服务器也想断开连接了，和客户端的第一次挥手一样，向客户端发送 FIN 报文，并指定一个序列号。此时服务器处于 LAST_ACK 状态。
TIP
即服务端没有要向客户端发出的数据，服务端发出连接释放报文段（FIN=1，ACK=1，序号seq=w，确认号ack=u+1），服务端进入LAST_ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
- 第四次挥手：客户端收到 FIN 后，同样会发送一个 ACK 报文作为应答，并把服务端的序列号值 + 1 作为自己的 ACK 报文的序列号值，此时客户端处于 TIME_WAIT 状态。一段时间过后，在确保服务端收到了自己的 ACK 报文后，客户端进入 CLOSED 状态，服务端收到 ACK 报文之后，就关闭连接了，处于 CLOSED 状态。
TIP
即客户端收到服务端的连接释放报文段后，对此发出确认报文段（ACK=1，seq=u+1，ack=w+1），客户端进入TIME_WAIT（时间等待）状态。此时TCP未释放掉，需要经过时间等待计时器设置的时间2MSL后，客户端才进入CLOSED状态。
简单来说就是以下四步：
第一次挥手：若客户端认为数据发送完成，则它需要向服务端发送连接释放请求。
第二次挥手：服务端收到连接释放请求后，会告诉应用层要释放 TCP 链接。然后会发送 ACK 包，并进入 CLOSE_WAIT 状态，此时表明客户端到服务端的连接已经释放，不再接收客户端发的数据了。但是因为 TCP 连接是双向的，所以服务端仍旧可以发送数据给客户端。
第三次挥手：服务端如果此时还有没发完的数据会继续发送，完毕后会向客户端发送连接释放请求，然后服务端便进入 LAST-ACK 状态。
第四次挥手： 客户端收到释放请求后，向服务端发送确认应答，此时客户端进入 TIME-WAIT 状态。该状态会持续 2MSL（最大段生存期，指报文段在网络中生存的时间，超时会被抛弃） 时间，若该时间段内没有服务端的重发请求的话，就进入 CLOSED 状态。当服务端收到确认应答后，也便进入 CLOSED 状态。
TCP 使用四次挥手的原因是因为 TCP 的连接是全双工的，所以需要双方分别释放到对方的连接，单独一方的连接释放，只代表不能再向对方发送数据，连接处于的是半释放的状态。
最后一次挥手中，客户端会等待一段时间再关闭的原因，是为了防止发送给服务器的确认报文段丢失或者出错，从而导致服务器端不能正常关闭。
为什么需要四次挥手呢？
因为当服务端收到客户端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。
但在关闭连接时，当服务端收到 FIN 报文后，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个 ACK 报文，告诉客户端，“你发的FIN报文我收到了”。只有等到我所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送，故需要四次挥手。