图1 TCP 三次握手四次挥手
图1主要包括三部分：建立连接、传输数据、断开连接。
1)建立TCP连接很简单，通过三次握手便可建立连接。
2)建立好连接后，开始传输数据。TCP数据传输牵涉到的概念很多：超时重传、快速重传、流量控制、拥塞控制等等。
3)断开连接的过程也很简单，通过四次握手完成断开连接的过程。
三次握手建立连接：
第一次握手：客户端发送syn包(seq=x)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；
第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=x+1），同时自己也发送一个SYN包（seq=y），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；
第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=y+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。
握手过程中传送的包里不包含数据，三次握手完毕后，客户端与服务器才正式开始传送数据。理想状态下，TCP连接一旦建立，在通信双方中的任何一方主动关闭连接之前，TCP 连接都将被一直保持下去。
传输数据过程：
a.超时重传
超时重传机制用来保证TCP传输的可靠性。每次发送数据包时，发送的数据报都有seq号，接收端收到数据后，会回复ack进行确认，表示某一seq号数据已经收到。发送方在发送了某个seq包后，等待一段时间，如果没有收到对应的ack回复，就会认为报文丢失，会重传这个数据包。
b.快速重传
接受数据一方发现有数据包丢掉了。就会发送ack报文告诉发送端重传丢失的报文。如果发送端连续收到标号相同的ack包，则会触发客户端的快速重传。比较超时重传和快速重传，可以发现超时重传是发送端在傻等超时，然后触发重传；而快速重传则是接收端主动告诉发送端数据没收到，然后触发发送端重传。
c.流量控制
这里主要说TCP滑动窗流量控制。TCP头里有一个字段叫Window，又叫Advertised-Window，这个字段是接收端告诉发送端自己还有多少缓冲区可以接收数据。于是发送端就可以根据这个接收端的处理能力来发送数据，而不会导致接收端处理不过来。 滑动窗可以是提高TCP传输效率的一种机制。
d.拥塞控制
滑动窗用来做流量控制。流量控制只关注发送端和接受端自身的状况，而没有考虑整个网络的通信情况。拥塞控制，则是基于整个网络来考虑的。考虑一下这样的场景：某一时刻网络上的延时突然增加，那么，TCP对这个事做出的应对只有重传数据，但是，重传会导致网络的负担更重，于是会导致更大的延迟以及更多的丢包，于是，这个情况就会进入恶性循环被不断地放大。试想一下，如果一个网络内有成千上万的TCP连接都这么行事，那么马上就会形成“网络风暴”，TCP这个协议就会拖垮整个网络。为此，TCP引入了拥塞控制策略。拥塞策略算法主要包括：慢启动，拥塞避免，拥塞发生，快速恢复。
四次握手断开连接：
第一次挥手：主动关闭方发送一个FIN，用来关闭主动方到被动关闭方的数据传送，也就是主动关闭方告诉被动关闭方：我已经不会再给你发数据了(当然，在fin包之前发送出去的数据，如果没有收到对应的ack确认报文，主动关闭方依然会重发这些数据)，但此时主动关闭方还可以接受数据。
第二次挥手：被动关闭方收到FIN包后，发送一个ACK给对方，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号）。
第三次挥手：被动关闭方发送一个FIN，用来关闭被动关闭方到主动关闭方的数据传送，也就是告诉主动关闭方，我的数据也发送完了，不会再给你发数据了。
第四次挥手：主动关闭方收到FIN后，发送一个ACK给被动关闭方，确认序号为收到序号+1，至此，完成四次挥手。
图2给出了TCP通信过程中的状态转移图，理解此图是我们理解TCP-IP协议的关键。
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为什么建立TCP连接需要三次握手
TCP 协议是我们几乎每天都会接触到的网络协议，绝大多数网络连接的建立都是基于 TCP 协议的，学过计算机网络或者对 TCP 协议稍有了解的人都知道 —— 使用 TCP 协议建立连接需要经过三次握手（three-way handshake）。
如果让我们简单说说 TCP 建立连接的过程，相信很多准备过面试的人都会非常了解，但是一旦想要深究『为什么 TCP 建立连接需要三次握手？』，作者相信大多数人都没有办法回答这个问题或者会给出错误的答案，这边文章就会讨论究竟为什么我们需要三次握手才能建立 TCP 连接？
很多人尝试回答或者思考这个问题的时候其实关注点都放在了三次握手中的三次上面，这确实很重要，但是如果重新审视这个问题，我们对于『什么是连接』真的清楚？只有知道连接的定义，我们才能去尝试回答为什么 TCP 建立连接需要三次握手。
所以，建立 TCP 连接就是通信的双方需要对上述的三种信息达成共识，连接中的一对 Socket 是由互联网地址标志符和端口组成的，窗口大小主要用来做流控制，最后的序列号是用来追踪通信发起方发送的数据包序号，接收方可以通过序列号向发送方确认某个数据包的成功接收。
到这里，我们将原有的问题转换成了『为什么需要通过三次握手才可以初始化 Sockets、窗口大小和初始序列号？』，那么接下来我们就开始对这个细化的问题进行分析并寻找解释。
所以，TCP 选择使用三次握手来建立连接并在连接引入了
如上图所示，通信双方的两个
这种增加 TCP 连接通信次数的问题往往没有讨论的必要性，我们追求的其实是用更少的通信次数（理论上的边界）完成信息的交换，也就是为什么我们在上两节中也一再强调使用『两次握手』没有办法建立 TCP 连接，使用三次握手是建立连接所需要的最小次数。
TCP 建立连接时通过三次握手可以有效地避免历史错误连接的建立，减少通信双方不必要的资源消耗，三次握手能够帮助通信双方获取初始化序列号，它们能够保证数据包传输的不重不丢，还能保证它们的传输顺序，不会因为网络传输的问题发生混乱，到这里不使用『两次握手』和『四次握手』的原因已经非常清楚了：
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为什么建立TCP连接需要三次握手
TCP 协议是我们几乎每天都会接触到的网络协议，绝大多数网络连接的建立都是基于 TCP 协议的，学过计算机网络或者对 TCP 协议稍有了解的人都知道 —— 使用 TCP 协议建立连接需要经过三次握手（three-way handshake）。
如果让我们简单说说 TCP 建立连接的过程，相信很多准备过面试的人都会非常了解，但是一旦想要深究『为什么 TCP 建立连接需要三次握手？』，作者相信大多数人都没有办法回答这个问题或者会给出错误的答案，这边文章就会讨论究竟为什么我们需要三次握手才能建立 TCP 连接？
需要注意的是我们会将重点放到为什么需要 TCP 建立连接需要『三次握手』，而不仅仅是为什么需要『三次』握手。
概述
在具体分析今天的问题之前，我们首先可以了解一下最常见的错误类比，这个对 TCP 连接过程的错误比喻误导了很多人，作者在比较长的一段时间内也认为它能够很好地描述 TCP 建立连接为什么需要三次握手：- 你听得到吗？
- 我能听到，你听得到？
- 我也能听到；
很多人尝试回答或者思考这个问题的时候其实关注点都放在了三次握手中的三次上面，这确实很重要，但是如果重新审视这个问题，我们对于『什么是连接』真的清楚？只有知道连接的定义，我们才能去尝试回答为什么 TCP 建立连接需要三次握手。
The reliability and flow control mechanisms described above require that TCPs initialize and maintain certain status information for each data stream. The combination of this information, including sockets, sequence numbers, and window sizes, is called a connection.RFC 793 - Transmission Control Protocol 文档中非常清楚地定义了 TCP 中的连接是什么，我们简单总结一下：用于保证可靠性和流控制机制的信息，包括 Socket、序列号以及窗口大小叫做连接。
所以，建立 TCP 连接就是通信的双方需要对上述的三种信息达成共识，连接中的一对 Socket 是由互联网地址标志符和端口组成的，窗口大小主要用来做流控制，最后的序列号是用来追踪通信发起方发送的数据包序号，接收方可以通过序列号向发送方确认某个数据包的成功接收。
到这里，我们将原有的问题转换成了『为什么需要通过三次握手才可以初始化 Sockets、窗口大小和初始序列号？』，那么接下来我们就开始对这个细化的问题进行分析并寻找解释。
设计
这篇文章主要会从以下几个方面介绍为什么我们需要通过三次握手才可以初始化 Sockets、窗口大小、初始序列号并建立 TCP 连接：- 通过三次握手才能阻止重复历史连接的初始化；
- 通过三次握手才能对通信双方的初始序列号进行初始化；
- 讨论其他次数握手建立连接的可能性；
历史连接
RFC 793 - Transmission Control Protocol 其实就指出了 TCP 连接使用三次握手的首要原因 —— 为了阻止历史的重复连接初始化造成的混乱问题，防止使用 TCP 协议通信的双方建立了错误的连接。The principle reason for the three-way handshake is to prevent old duplicate connection initiations from causing confusion.想象一下这个场景，如果通信双方的通信次数只有两次，那么发送方一旦发出建立连接的请求之后它就没有办法撤回这一次请求，如果在网络状况复杂或者较差的网络中，发送方连续发送多次建立连接的请求，如果 TCP 建立连接只能通信两次，那么接收方只能选择接受或者拒绝发送方发起的请求，它并不清楚这一次请求是不是由于网络拥堵而早早过期的连接。
所以，TCP 选择使用三次握手来建立连接并在连接引入了
RST 这一控制消息，接收方当收到请求时会将发送方发来的 SEQ+1 发送回接收方，这时由发送方来判断当前连接是否是历史连接：- 如果当前连接是历史连接，即
SEQ过期或者超时，那么发送方就会直接发送RST控制消息中止这一次连接； - 如果当前连接不是历史连接，那么发送方就会发送
ACK控制消息，通信双方就会成功建立连接；
RST 控制消息将是否建立连接的最终控制权交给了发送方，因为只有发送方有足够的上下文来判断当前连接是否是错误的或者过期的，这也是 TCP 使用三次握手建立连接的最主要原因。初始序列号
另一个使用三次握手的重要的原因就是通信双方都需要获得一个用于发送信息的初始化序列号，作为一个可靠的传输层协议，TCP 需要在不稳定的网络环境中构建一个可靠的传输层，网络的不确定性可能会导致数据包的缺失和顺序颠倒等问题，常见的问题可能包括：- 数据包被发送方多次发送造成数据的重复；
- 数据包在传输的过程中被路由或者其他节点丢失；
- 数据包到达接收方可能无法按照发送顺序；
- 接收方可以通过序列号对重复的数据包进行去重；
- 发送方会在对应数据包未被 ACK 时进行重复发送；
- 接收方可以根据数据包的序列号对它们进行重新排序；
SYN 控制消息并携带自己期望的初始化序列号 SEQ，对方在收到 SYN 消息之后会通过 ACK 控制消息以及 SEQ+1 来进行确认。如上图所示，通信双方的两个
TCP A/B 分别向对方发送 SYN 和 ACK 控制消息，等待通信双方都获取到了自己期望的初始化序列号之后就可以开始通信了，由于 TCP 消息头的设计，我们可以将中间的两次通信合成一个，TCP B 可以向 TCP A 同时发送 ACK 和 SYN 控制消息，这也就帮助我们将四次通信减少至三次。A three way handshake is necessary because sequence numbers are not tied to a global clock in the network, and TCPs may have different mechanisms for picking the ISN’s. The receiver of the first SYN has no way of knowing whether the segment was an old delayed one or not, unless it remembers the last sequence number used on the connection (which is not always possible), and so it must ask the sender to verify this SYN. The three way handshake and the advantages of a clock-driven scheme are discussed in [3].除此之外，网络作为一个分布式的系统，其中并不存在一个用于计数的全局时钟，而 TCP 可以通过不同的机制来初始化序列号，作为 TCP 连接的接收方我们无法判断对方传来的初始化序列号是否过期，所以我们需要交由对方来判断，TCP 连接的发起方可以通过保存发出的序列号判断连接是否过期，如果让接收方来保存并判断序列号却是不现实的，这也再一次强化了我们在上一节中提出的观点 —— 避免历史错连接的初始化。
通信次数
当我们讨论 TCP 建立连接需要的通信次数时，我们经常会执着于为什么通信三次才可以建立连接，而不是两次或者四次；讨论使用更多的通信次数来建立连接往往是没有意义的，因为我们总可以使用更多的通信次数交换相同的信息，所以使用四次、五次或者更多次数建立连接在技术上都是完全可以实现的。这种增加 TCP 连接通信次数的问题往往没有讨论的必要性，我们追求的其实是用更少的通信次数（理论上的边界）完成信息的交换，也就是为什么我们在上两节中也一再强调使用『两次握手』没有办法建立 TCP 连接，使用三次握手是建立连接所需要的最小次数。
总结
我们在这篇文章中讨论了为什么 TCP 建立连接需要经过三次握手，在具体分析这个问题之前，我们首先重新思考了 TCP 连接究竟是什么，RFC 793 - Transmission Control Protocol - IETF Tools 对 TCP 连接有着非常清楚的定义 —— 用于保证可靠性和流控制机制的数据，包括 Socket、序列号以及窗口大小。TCP 建立连接时通过三次握手可以有效地避免历史错误连接的建立，减少通信双方不必要的资源消耗，三次握手能够帮助通信双方获取初始化序列号，它们能够保证数据包传输的不重不丢，还能保证它们的传输顺序，不会因为网络传输的问题发生混乱，到这里不使用『两次握手』和『四次握手』的原因已经非常清楚了：
- 『两次握手』：无法避免历史错误连接的初始化，浪费接收方的资源；
- 『四次握手』：TCP 协议的设计可以让我们同时传递
ACK和SYN两个控制信息，减少了通信次数，所以不需要使用更多的通信次数传输相同的信息；
- 除了使用序列号是否还有其他方式保证消息的不重不丢？
- UDP 协议有连接的概念么，它能保证数据传输的可靠么？
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