tcp建立连接为什么要三次握手

tcp是一个面向连接的协议，在传送数据以前，必须要首先建立一条连接。连接的建立需要经过三次握手。为什么要经过三次握手呢，每次握手双方都做了些什么？

1）什么是tcp报文？
tcp报文就是通过tcp协议发送的数据包，由tcp头和数据段组成。
tcp头是固定的20个字节，它的格式为：

16位源端口号	16位目的端口号
32位序号
32位确认序号
4位首部长度	保留6位	U R G	A C K	P S H	R S T	S Y N	F I N	16位窗口大小
16位校验和	16位紧急指针

2）第一次握手做什么？
请求端(客户端)会向服务端(被请求端)发送一个tcp报文，申请打开某一个端口。因为没有数据，所以这个报文仅包含一个tcp头。其中：
SYN=1；当建立一个新的连接时， SYN标志变1。
序号；序号用来标识从客户端向服务端发送的数据字节流。
此时客户端进入SYN_SENT状态。

3）第二次握手做什么？
服务端收到客户端的SYN包，也会发一个只包含tcp头的报文给客户端。
ACK=1；服务端确认收到信息
确认序号；客户端序号+1，作为应答
SYN=1；因为tcp的连接是双向的，服务端作为应答的同时请求建立连接。
此时服务端进入SYN_RECV状态

4）第三次握手做什么？
ACK=1；客户端确认收到信息
确认序号；服务端序号+1，作为应答
此时客户端进入ESTABLISHED状态，服务端收到ACK后也会进入此状态

可见，客户端和服务端都保留了对方的序号，这三次握手缺少任何一步都无法实现这一目标。在三次握手过程中，出现了一些中间状态。

5）什么是半连接队列？
第一次握手完成后，服务端发送ACK+SYN包到客户端，在收到客户端返回前的状态为SYN_RECV，服务端为此状态维护一个半连接队列。当服务端收到客户的确认包时，删除该条目，服务端进入ESTABLISHED状态。Listen中的backlog参数表示这两个状态合的最大值。若客户端完成第一次握手后不再发送ACK包，导致服务端未完成队列溢出，达到Dos攻击的目的。

6）什么是SYN-ACK
重传？
Dos攻击可以达到目的的一个重要因素是服务端在发送完SYN+ACK包后会等待客户端的确认包，如果等待时间内未收到，服务端会进行首次重传，等待一段时间仍未收到客户确认包，会进行第二次重传，直到重传次数超过系统规定的最大值，系统将该连接信息从半连接队列中删除。如果系统删除的频率小于半连接状态的增长频率，服务端就无法正常提供服务。

7）Tcp关闭连接需要四次握手，这又是为什么呢？
这是由tcp半关闭(harf-close)造成的。既然一个TCP连接是全双工(即数据在两个方向上能同时传递)，因此每个方向必须单独地进行关闭。即一方发送一个FIN，另一方收到后发送一个ACK，这就是所谓的四次握手了。

8）第一次握手做什么？
客户端发送一个FIN（这个客户端是主动发起关闭的一端，与建立连接时的客户端不一定是同一主机）
此时客户端进入FIN_WAIT_1状态。

9）第二次握手做什么？
服务端收到FIN，发回客户端一个ACK，确认序号为收到的序号加1（因为FIN和SYN一样，会占用一个序号）；客户端收到ACK之后会进入FIN_WAIT_2状态，服务端会进入CLOSE_WAIT状态。

10）第三次握手做什么？
服务端发送给客户端一个FIN。服务端进入LAST_ACK状态。

11）第四次握手做什么？
客户端收到FIN，发回服务端一个ACK，确认序号为收到的序号加1；客户端会进入TIME_WAIT状态，2MSL超时后进入CLOSE状态。服务端收到ACK后也会进入CLOSE状态。

其实我们通俗的说每次握手其实就是发一次数据包的过程。建立连接时双方共发送了3个包，关闭连接时发送和确认的两次握手决定了一端数据流的关闭，四次握手可以保证两方都关闭。

但由此引出一个问题，那就是
12）为什么建立连接是三次握手，而关闭连接是四次呢？
建立连接时，服务端可以把应答ACK和同步SYN放在一个报文里进行发送。而关闭连接时，收到FIN通知仅仅表示对方没有数据发送过来了，并不表示自己的数据全部发送给了对方。所以ACK和FIN是分了两次进行发送。如果服务端收到FIN，恰恰自己也没有数据要发，是不是ACK和FIN可以一起发给客户端呢，这样就可以少一次数据流了。世界是美好的，经典的TCP连接状态图中也考虑到了这种情况，tcp关闭连接确实是只有三次数据流动，服务端将ACK和FIN放在一个包里进行发送，但四次握手这个概念却已经根深蒂固无法更改了。

13）Tcp的各个状态是怎样的？
客户端的正常tcp状态：
CLOSED->SYN_SENT（第1次）->ESTABLISHED（第3次）->FIN_WAIT_1（第1次）->FIN_WAIT_2（第2次）->TIME_WAIT（第4次）->CLOSED

服务端的正常tcp状态：
CLOSED->LISTEN->SYN_RCVD（第2次）->ESTABLISHED（第3次）->CLOSE_WAIT（第2次）->LAST_ACK（第3次）->CLOSED（第4次）

tcp还有其他的非正常状态，在此不做讨论，下篇文章再说

参考资料：
W.Richard Stevens著《TCPIP详解卷一》