计算机网络自顶向下方法25——运输层 TCP流量控制 连接管理 “四次挥手”的优化
TCP流量控制与连接管理详解
一、流量控制
1. 核心思想与目标
思想：让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收。
目标：消除发送方使接收方缓冲区溢出的可能性。这是一个速度匹配服务，是接收方主导的，针对的是接收方的处理能力。
2. 实现机制：滑动窗口协议
TCP通过让发送方维护一个称为接收窗口的变量来提供流量控制，这个窗口动态地反映了接收方剩余的缓冲区空间。
接收窗口：接收方在每次发送ACK时，会通过TCP首部的 “窗口大小” 字段，告知发送方自己当前还有多少可用的缓冲区空间。
发送窗口：发送方必须保证，已发送但未被确认的数据量不能超过接收方通告的接收窗口大小。
3. 工作流程详解
下图直观地展示了TCP流量控制中接收窗口如何动态地控制发送方的行为：
4. 特殊问题：零窗口死锁与持续计时器
问题：如果接收方通告的窗口大小为0，发送方会停止发送数据。之后，当接收方缓冲区空出，它会发送一个包含新窗口大小的ACK。如果这个ACK丢失，双方将陷入死锁：接收方等待数据，发送方等待窗口更新。
解决方案：TCP规范要求，发送方在收到零窗口通告后，启动一个持续计时器。当计时器超时，发送方会发送一个零窗口探测报文段（1字节数据），以触发接收方重新发送其窗口大小。如果此时窗口仍然为0，则重置持续计时器；如果窗口已打开，则数据传输恢复。
二、TCP连接管理
TCP是面向连接的协议，这意味着在数据交换之前，通信双方必须相互建立连接，在通信结束后要断开连接。
1. 连接建立：三次握手
这是确保双方都知道彼此愿意并且能够进行通信的关键步骤。
步骤详解：
SYN：客户端发送一个特殊的TCP报文段。该报文段不包含应用层数据，但其首部中的SYN比特被置为1。同时，客户端随机选择一个初始序列号，并将其放在序列号字段中。
SYN-ACK：服务器收到SYN报文段后，会为该连接分配TCP缓冲区和变量，并发送一个允许连接的报文段。这个报文段包含：SYN比特置为1，ACK比特置为1，其确认号字段为
client_isn + 1，同时服务器也随机选择一个自己的初始序列号。ACK：客户端收到SYN-ACK后，也要为该连接分配缓冲区和变量。然后，客户端向服务器发送另一个报文段，对服务器的允许连接进行确认：SYN比特置为0，ACK比特置为1，确认号字段为
server_isn + 1。
为什么是三次，而不是两次？
核心是解决“延迟的重复连接请求”问题。
假设只有两次握手：一个旧的、延迟的SYN包到达服务器，服务器会认为客户端请求新连接并回复SYN-ACK。如果只有两次，连接就此建立，但客户端可能根本没有想建立连接，导致服务器资源浪费。
而三次握手下，服务器在收到延迟的SYN并回复SYN-ACK后，客户端会忽略这个它未曾请求的SYN-ACK，不会发送ACK，因此服务器最终不会建立连接，避免了资源浪费。
2. 连接终止：四次挥手
由于TCP连接是全双工的（数据可以双向独立流动），每个方向必须单独关闭。
步骤详解：
FIN：客户端应用进程发出关闭连接命令，客户端TCP发送一个FIN报文段（FIN比特置为1）。
ACK：服务器收到FIN后，回复一个ACK报文段，确认这个FIN。此时，从客户端到服务器的连接就关闭了。TCP连接处于半关闭状态：服务器仍然可以发送数据给客户端。
FIN：当服务器也准备关闭连接时，其应用进程发出关闭命令，服务器TCP发送它自己的FIN报文段（FIN比特置为1）。
ACK：客户端收到服务器的FIN后，回复一个ACK报文段。此时，客户端会进入一个等待状态（通常是2倍的最大报文段寿命，2MSL），以确保这个ACK能到达服务器。之后，双方的所有资源都被释放。
为什么需要TIME_WAIT状态？
可靠地终止连接：确保最后的ACK能够到达服务器。如果ACK丢失，服务器会超时重传FIN，处于TIME_WAIT的客户端可以重发ACK。
让旧的重复报文段在网络中消逝：防止之前连接中延迟的报文段被误认为是新连接的报文，造成数据混乱。
总结
| 机制 | 核心目标 | 关键手段 |
|---|---|---|
| 流量控制 | 匹配速度，防止接收方缓冲区溢出。 | 接收窗口，通过ACK动态通告，控制发送方窗口。 |
| 连接建立 | 同步序列号，确保双方准备好通信。 | 三次握手（SYN, SYN-ACK, ACK）。 |
| 连接终止 | 安全地、可靠地关闭双向通道。 | 四次挥手（FIN, ACK, FIN, ACK）及TIME_WAIT状态。 |
流量控制和连接管理共同确保了TCP连接能够有序地建立、高效稳定地运行、以及安全彻底地关闭，构成了TCP服务质量的坚实基础。
TCP连接终止：四次挥手与“三次挥手”的真相
一、标准的四次挥手
首先，我们必须理解，TCP连接是全双工的，这意味着数据在两个方向上可以独立传输。因此，关闭一个连接需要分别关闭两个方向的数据流。
步骤解析：
主动关闭方（客户端）发送 FIN：表示我没有数据要发送了。
被动关闭方（服务器）发送 ACK：表示“我收到你的FIN了”。
此时，从客户端到服务器的数据通道关闭。
但服务器到客户端的数据通道仍然可用！ 服务器可能还有数据要发送给客户端。
被动关闭方（服务器）发送 FIN：当服务器也没有数据要发送时，它发送自己的FIN。
主动关闭方（客户端）发送 ACK：客户端确认服务器的FIN。
此时，从服务器到客户端的数据通道也关闭了。
客户端进入
TIME_WAIT状态。
二、所谓的“三次挥手”
“三次挥手”发生在一种特殊场景下：当被动关闭方（服务器）在收到客户端的FIN后，也没有任何数据要发送了。
在这种情况下：
客户端发送 FIN。
服务器在回复ACK时，可以将自己的FIN和ACK合并在一起发送。
也就是说，第二次挥手和第三次挥手合并了。
服务器发送的是一个
[FIN + ACK]报文段。
这样，整个流程就从4个报文段减少到了3个：
text
客户端 服务器| FIN || ----------> || || [FIN+ACK] || <---------- || || ACK || ----------> |
三、为什么合并是可行的？
因为TCP报文段首部有多个控制比特（Flags），它们可以同时被置为1。在合并的报文段中：
ACK比特 = 1，且 确认号字段 有效（确认了客户端的FIN）。
FIN比特 = 1，且 序列号字段 有效（表示服务器自己的数据流结束）。
接收方（客户端）能够正确解析这个报文段，知道它既是对自己FIN的确认，也是对方发起的连接关闭请求。
四、总结与类比
四次挥手是根本协议：它定义了关闭一个全双工连接所需的两个独立的半关闭操作。
“三次挥手”是一种优化：当被动关闭方没有待发送数据时，通过将第二个ACK和第三个FIN合并为一个报文，提高了效率，减少了网络通信次数。
这类似于“捎带确认”：就像有时数据报文段可以捎带对对方数据的确认一样，这里的FIN报文段捎带了对对方FIN的确认。
结论：您记得的“三次挥手”是真实存在的，但它并非一个独立的协议，而是TCP协议栈在满足特定条件时，对标准四次挥手流程的一种合法且高效的优化实现。理解四次挥手的本质，就能轻松理解“三次挥手”为何会发生。