深入理解 TCP 协​议的握手和挥手

1. 引言

TCP 协议是计算机网络 [1] 中运输层的重要协议，深入理解 TCP 协议能够帮助我们 更好的理解计算机网络的原理。而 TCP 协议在连接建立和连接释放的过程中，会经历 三次握手和四次挥手，期间各种状态的转变较为复杂，对于初学者来说，由于状态较 多，过程较为复杂，理解难度较大。本文将从通信双方的单个状态开始出发，结合图 形，详细分析状态转化流程，以帮助其深入理解握手和挥手协议。

2. 三次握手

TCP 的连接需要经历三次握手，假设通信双方 A 主动首先发起连接建立请求，如图1所示，A 向 B 发起连接建立请求 A_SYN，B 在收到后，发送确认 A_SYN_ACK 和 B 连 接建立请求 B_SYN，随后 A 收到 B 发送的连接建立请求后，发送其确认 B_SYN_ACK， 经历三次报文交换后，A 收到了 A_SYN_ACK，B 收到了 B_SYN_ACK，从而完成连接 的建立。

Figure 1

当 A 和 B 同时主动建立连接请求时如图 2，即 A 主动向 B 发送了 A_SYN，其 B 也 主动向 A 发送了 B_SYN，一段时间后，设 A 先收到来自 B 的连接建立请求 B_SYN， 此时 A 一方面对其进行确认 B_SYN_ACK，另一方面再次发送连接建立请求 A_SYN， 最后当 B 收到来自 A 的 A_SYN 后完成对 A 的确认 A_SYN_ACK 即可完成连接建立。这种情况下，A 发送了两次 A_SYN，A 和 B 之间就经历了四次握手。

Figure 2

最后来总结一下 A 和 B 之间的状态变化情况，如图 3所示，A 发送 A_SYN 后 进入了 SYN_SEND 状态，当收到来自 B 的 B_SYN 以及 A_SYN_ACK 后直接进入ESTABLISHED 状态，在 SYN_SEND 状态下，如果只收到了来自 B 的 B_SYN 后，则除 了发送 B_SYN_ACK 外，还需要再次发送 A_SYN 给 B，并进入 SYN_RECV 状态，一 段时间后，收到来自 B 的 A_SYN_ACK 确认信息后，才进入 ESTABLISHED 状态。

Figure 3

3. 四次挥手

通信双方 A 和 B，经过一段时间的通信后，已经完成了数据的传输，随后进入通信 结束阶段。当双方结束通信的时候，需要 AB 双方都发出通信结束标记 FIN 后，才是完 全关闭通信，即 A 需要向 B 发出 FIN，同时 B 也需要向 A 发出 FIN。但是需要注意的 是，AB 双方发出 FIN 的时机可以不一致，A 先 B 后或者 B 先 A 后，第一次发出 FIN 的称为主动关闭通信的一方。

Figure 4: 某时刻 A 向 B 发送了 FIN

假设某时刻 A 主动提出结束通信，A 向 B 发送了通信结束标记 FIN，如图 4所示，

然后 A 进入等待，后续 A 收到来自 B 的信息有三种情况:

(1) 同时收到 FIN 和 ACK。

Figure 5

(2) 先收到 ACK，再收到 FIN。

Figure 6

(3) 先收到 FIN，再收到 ACK。

Figure 7

接下来将讨论这三种情况下 A 的状态变化，如图 8所示，开始 A 所处的状态是 Established 连接建立状态，当发出 A_FIN 后进入了 FIN_WAIT_1 状态，然后就对应了 上面讨论的三种情况:

(1) 如果同时收到A_FIN_ACK和B_FIN时，则进入TIME_WAIT状态，如图斜线所示。(2) 如果先收到 A_FIN_ACK，则进入 FIN_WAIT_2 状态，然后收到 B_FIN 后进入

TIME_WAIT 状态，如左下方所示。

(3) 如果先收到 B_FIN，则进入 CLOSING 状态，然后收到 A_FIN_ACK 后进入

TIME_WAIT 状态，如右上方所示。

上述所有的 TIME_WAIT 状态下，经过 2 倍的报文传输超时后，自动进入 CLOSED 状态。

Figure 8

从上面的分析可知，A 的状态变化主要有三种路线:

(1) ESTABLISHED → FIN_WAIT_1 → TIME_WAIT → CLOSED

(2) ESTABLISHED → FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT → CLOSED

(3) ESTABLISHED → CLOSING → TIME_WAIT → CLOSED

A 的状态变化较为复杂，接下来将介绍简单的 B 的状态变化，如图 9所示，B 在收到 A 发来的 A_FIN 后，发送 A_FIN_ACK 后就进入了 CLOSE_WAIT 状态，然 后发送 B_FIN 后进入 LAST_ACK 状态，最后收到确认后，进入 CLOSED 状态，即 EST ABLISHED → CLOSE_WAIT → LAST _ACK → CLOSED。

4. 结束语

针对计算机网络运输层常见的 TCP 协议中三次握手和四次挥手，状态较多过程较为复 杂，初学者在理解时难度较大等问题，提出一种从通信双方的单个状态出发，结合详 细的图例和文字描述，深入分析各种状态变化，较为清晰的阐述了握手、挥手的状态变 化。

参考文献

[1] 谢希仁. 计算机网络 (第七版). 电子工业出版社, 2017-01-01.