连接管理

一个 TCP 连接由一个 4 元组构成，分别是两个 IP 地址和两个端口号。

更准确地说，一个 TCP 连接是由一对端点或套接字构成的。我们将 IP 地址和端口的组合称为一个端点，或者套接字，然后可以用一对端点来唯一地描述每个连接。

TCP 连接的生命周期分为启动、数据传输和退出。我们使用三次握手来完成 TCP 连接的建立，建立后就可以在 TCP 连接上发送和接收数据，最后通常会使用四次挥手来关闭 TCP 连接。可以看到，一个 TCP 连接在正式传输数据之前需要先完成握手，在正常关闭时也需要交换控制报文，所以一些应用程序更愿意使用 UDP 协议来避免建立 TCP 连接的开销。

三次握手

三次握手，即客户端先向服务端发送 SYN 包，表示想要建立连接的意愿，并带上客户端 seq；服务端接收到后返回 SYN+ACK 包，一来表示接收到了建立连接的请求，二来给出服务端 seq，用于后续的通信；最后客户端接收到后再向服务端发送 ACK 包，连接就建立成功了。更详细的流程如下（客户端和服务端的具体状态语义见后文 “状态“ 一节）：

第一次握手：客户端向服务端发送 SYN 包（seq = x），请求建立连接。此时客户端从 CLOSED 状态切换为 SYN-SENT 状态。
第二次握手：服务端在接收到 SYN 包之后返回一个对应的 SYN+ACK 包（ack = x + 1，而 seq = y）。此时服务端从 LISTEN 状态切换为 SYN-RCVD 状态。
第三次握手：客户端收到 SYN+ACK 包之后，再返回一个 ACK 包（ack = y + 1）。此时 TCP 的逻辑连接建立成功，客户端从 SYN-SENT 状态转换为 ESTABLISHED 状态。

这里的 x 和 y 分别是客户端和服务端的 ISN（Initial Sequence Number，起始序号）。ISN 并非从固定的值开始，而是会包含随机性。

使用随机数是有原因的。

其一，是避免重试导致的不同 TCP 连接的冲突。假设客户端和服务端在创建 TCP 连接，但因为网络波动导致客户端重试。如果序列号不同，则重试前传输的包和重试后传输的包的序列号完全不同，这就可以使重试前的包被安全丢弃（通过检查是否在接收窗口内）。而如果不随机的话，很可能导致错误的包被传输过去，又恰好落在接收窗口内而没有被丢弃，从而让上层看到错误的字节流。目前主流的 TCP 实现中，ISN 既会包含随机性，也会随时间变化，从而降低新旧连接之间发生序列号混淆的概率。当然也可以在应用层增加校验来避免这个问题（例如 CRC）。

其二，是一定程度上避免恶意攻击。一个不够随机的 ISN 可能会导致 TCP 会话劫持攻击，比如 Mitnick 攻击。早期的 ISN 生成方式更容易被预测，后来的实现会引入更强的随机性。TCP 本身比较脆弱：只要攻击者能伪造合适的序列号、IP 地址和端口，就可能伪装一个 TCP 包，从而打断 TCP 的正常连接。

三次握手除了用于建立连接之外，还可以用来交换选项。

四次挥手

四次挥手的详细流程如下：

第一次挥手：主动关闭者发送一个 FIN 包（seq = k），请求关闭。此时主动关闭者从 ESTABLISHED 状态转换为 FIN-WAIT-1 状态。
第二次挥手：被动关闭者发送一个对应的 ACK 包（ack = k + 1），表示接收到了这个 FIN 包。此时被动关闭者从 ESTABLISHED 状态转换为 CLOSE-WAIT 状态；主动关闭者接收到这个 ACK 包后从 FIN-WAIT-1 状态转换为 FIN-WAIT-2 状态。
第三次挥手：被动关闭者在准备好关闭时（即已无数据需要传输、准备断开连接时），发送一个 FIN 包（seq = l）。此时它从 CLOSE-WAIT 转换为 LAST-ACK 状态，并等待最后的 ACK 包。
第四次挥手：主动关闭者返回一个 ACK 包（ack = l + 1）。主动关闭者从 FIN-WAIT-2 状态转换为 TIME-WAIT 状态，等待一段时间（通常为 2 倍 MSL，以防被动关闭者未收到该 ACK 包），再转换为 CLOSED 状态并关闭 TCP 连接。而被动关闭者接收到 ACK 包后，从 LAST-ACK 状态转换为 CLOSED 状态，也关闭 TCP 连接。至此 TCP 连接断开。

注意，在第二次和第三次挥手之间，被动关闭者依然能够发送数据。TCP 连接是双向的，所以第一次和第二次挥手只会关闭数据的一个方向，此时 TCP 处于 “半关闭” 的状态。不过，很少有应用程序会利用这个功能。

同时打开和关闭

一种少见的情况是，TCP 连接的双方可能会同时打开，或者同时关闭连接。

对于同时打开的情况，双方会一开始就互相发送 SYN 包，之后又各自发送对应的 SYN+ACK 包。对于同时关闭的情况，双方都会各自发送一个 FIN 包，并各自发送对应的 ACK 包（和普通的四次挥手相比，只是两轮 FIN 包和对应的 ACK 包从顺序的变成交叉的了）。

链接和引用

《TCP/IP 详解 -- 卷 1：协议》，[美] Kevin R. Fall, W. Richard Stevens 著，吴英等译，机械工业出版社.
Wikipedia / TCP: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BC%A0%E8%BE%93%E6%8E%A7%E5%88%B6%E5%8D%8F%E8%AE%AE