TCP三次握手和四次揮手詳解

在網絡通信中，TCP（傳輸控制協議）是一個非常重要的協議，用于確保數據在不可靠的網絡環境中能夠可靠傳輸。TCP通過三次握手（Three-way Handshake）建立連接，通過四次揮手（Four-way Termination）終止連接。

一、TCP三次握手

TCP的三次握手用于確保客戶端和服務器之間的連接是可靠的，并且雙方都準備好進行數據傳輸。三次握手的過程如下：

1. 第一次握手：客戶端發送SYN

   • 客戶端向服務器發送一個SYN（同步序列編號）報文，表示客戶端希望與服務器建立連接。此時，客戶端進入SYN-SENT狀態。
   • 報文中包含一個初始序列號（ISN），用于后續數據傳輸中的序列控制。

2. 第二次握手：服務器發送SYN-ACK

   • 服務器接收到SYN報文后，向客戶端發送一個SYN-ACK（同步確認）報文，表示同意建立連接。此時，服務器進入SYN-RECEIVED狀態。
   • SYN-ACK報文包含服務器自己的ISN和客戶端的ISN+1，表明服務器已收到客戶端的SYN，并將自己的SYN發送給客戶端。

3. 第三次握手：客戶端發送ACK

   • 客戶端接收到SYN-ACK報文后，向服務器發送一個ACK（確認）報文，確認服務器的SYN已經收到。此時，客戶端進入ESTABLISHED狀態，連接建立成功。
   • 服務器接收到ACK報文后，也進入ESTABLISHED狀態，表示連接已準備好進行數據傳輸。

通過三次握手，雙方確認了彼此的發送和接收能力，連接正式建立。

這個過程類似于打電話的三個過程：

1.撥號。撥號相當于第一次握手。

2.接通。對方接通后為第二次握手。

3.回應。我方聽到聲音并回應為第三次握手。

二、TCP四次揮手

TCP的四次揮手用于終止客戶端和服務器之間的連接，確保雙方都能夠優雅地關閉連接。四次揮手的過程如下：

1. 第一次揮手：客戶端發送FIN

   • 客戶端發送一個FIN（終止）報文，表示客戶端已經沒有數據要發送了，要求關閉連接。此時，客戶端進入FIN-WAIT-1狀態。
   • FIN報文可能包含最后一段數據，或者僅僅表示終止發送。

2. 第二次揮手：服務器發送ACK

   • 服務器接收到FIN報文后，向客戶端發送一個ACK報文，確認客戶端的FIN已經收到。此時，服務器進入CLOSE-WAIT狀態，客戶端進入FIN-WAIT-2狀態。
   • 此時，服務器可能仍有未發送的數據，因此不會立即關閉連接。

3. 第三次揮手：服務器發送FIN

   • 服務器發送完所有剩余的數據后，向客戶端發送一個FIN報文，表示服務器也準備關閉連接。此時，服務器進入LAST-ACK狀態。
   • 客戶端接收到FIN報文后，發送最后一個ACK報文，確認收到服務器的FIN。此時，客戶端進入TIME-WAIT狀態。

4. 第四次揮手：客戶端發送ACK

   • 客戶端發送的最后一個ACK報文確認了服務器的FIN報文后，客戶端進入TIME-WAIT狀態，等待一段時間（通常為2倍的最大報文段壽命），確保服務器收到ACK。
   • 如果在TIME-WAIT狀態期間沒有收到任何重傳的FIN報文，客戶端將進入CLOSED狀態，表示連接已經完全關閉。

通過四次揮手，TCP連接得以優雅地關閉，確保所有的數據都得到了完整的傳輸和確認。

示例：

import socket
import time

# 服務端代碼
def server():
    # 創建TCP套接字
    server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    # 綁定IP地址和端口號
    server_socket.bind(('localhost', 12345))
    # 監聽連接請求
    server_socket.listen(1)
    print("Server is listening...")

    # 接受客戶端連接
    conn, addr = server_socket.accept()
    print(f"Connected by {addr}")

    # 模擬服務器發送數據
    conn.sendall(b'Hello, Client!')

    # 接收客戶端消息
    data = conn.recv(1024)
    print(f"Received: {data.decode()}")

    # 關閉連接
    conn.close()
    server_socket.close()
    print("Server connection closed.")

# 客戶端代碼
def client():
    # 創建TCP套接字
    client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    # 連接服務器
    client_socket.connect(('localhost', 12345))
    print("Client connected to server.")

    # 接收服務器消息
    data = client_socket.recv(1024)
    print(f"Received: {data.decode()}")

    # 模擬客戶端發送數據
    client_socket.sendall(b'Thank you, Server!')

    # 關閉連接
    client_socket.close()
    print("Client connection closed.")

# 模擬TCP三次握手和四次揮手
if __name__ == "__main__":
    # 啟動服務端
    import threading
    server_thread = threading.Thread(target=server)
    server_thread.start()

    # 延遲啟動客戶端以確保服務端已啟動
    time.sleep(1)

    # 啟動客戶端
    client()

    # 等待服務端線程結束
    server_thread.join()

• 服務端部分：

  • 使用 socket.socket() 創建一個TCP套接字，并綁定到 localhost 上的端口 12345。
  • 通過 listen() 方法讓服務器開始監聽客戶端連接。
  • 使用 accept() 接受客戶端的連接請求，并返回一個新的套接字 conn，用于與客戶端進行通信。
  • 服務器發送一條消息給客戶端，并接收客戶端的響應后，關閉連接。

• 客戶端部分：

  • 同樣使用 socket.socket() 創建一個TCP套接字。
  • 通過 connect() 方法連接到服務器的IP和端口。
  • 客戶端接收到服務器的消息后，發送一個響應消息，并關閉連接。

• 主程序部分：

  • 使用Python的 threading 模塊來同時運行服務器和客戶端，模擬TCP的三次握手和四次揮手過程。

輸出：

Server is listening...
Client connected to server.
Connected by ('127.0.0.1', random_port)
Received: Hello, Client!
Received: Thank you, Server!
Client connection closed.
Server connection closed.