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TCP 四次挥手（Four-way Handshake）用于终止一个已经建立的 TCP 连接。之所以是四次挥手，而不是三次，是因为 TCP 是全双工的（full-duplex），这意味着数据可以在两个方向上同时传输。因此，关闭连接需要双方分别确认关闭请求。

四次挥手的过程：

1. FIN (Client -> Server):

   • 客户端想要关闭连接（假设客户端主动关闭）。
   • 客户端发送一个 FIN 报文段（FIN=1，seq=u）到服务器。
     • FIN=1 表示这是一个 FIN 报文段（请求关闭连接）。
     • seq=u 表示客户端的序列号。
   • 客户端进入 FIN_WAIT_1 状态。

2. ACK (Server -> Client):

   • 服务器收到客户端的 FIN 报文段。
   • 服务器发送一个 ACK 报文段（ACK=1, seq=v, ack=u+1）到客户端。
     • ACK=1 表示这是一个 ACK 报文段。
     • seq=v 表示服务器的序列号。
     • ack=u+1 表示服务器期望接收的下一个序列号（即客户端的 FIN 报文段的序列号加 1）。
   • 服务器进入 CLOSE_WAIT 状态。
   • 客户端收到服务器的 ACK 报文段后，进入 FIN_WAIT_2 状态。

3. FIN (Server -> Client):

   • 服务器准备好关闭连接（例如，服务器已经发送完所有数据）。
   • 服务器发送一个 FIN 报文段（FIN=1, seq=w, ack=u+1）到客户端。
     • FIN=1 表示这是一个 FIN 报文段。
     • seq=w 表示服务器的序列号 (注意, w可能等于v, 也可能不等于，取决于服务器是否在等待 ACK 期间发送了数据)。
     • ack=u+1，表示服务器期望接收的下一个序列号与上次 ACK 相同。
   • 服务器进入 LAST_ACK 状态。

4. ACK (Client -> Server):

   • 客户端收到服务器的 FIN 报文段。
   • 客户端发送一个 ACK 报文段（ACK=1, seq=u+1, ack=w+1）到服务器。
     • ACK=1 表示这是一个 ACK 报文段。
     • seq=u+1 表示客户端的下一个序列号（即客户端上次发送的 FIN 报文段的序列号加 1）。
     • ack=w+1 表示客户端期望接收的下一个序列号（即服务器的 FIN 报文段的序列号加 1）。
   • 客户端进入 TIME_WAIT 状态（等待 2MSL 时间，以确保服务器收到 ACK，并防止延迟的报文段影响新的连接）。
   • 服务器收到客户端的 ACK 报文段后，进入 CLOSED 状态。

为什么不能是三次挥手？

不能是三次挥手的主要原因是 TCP 的半关闭（half-close）特性。

• 半关闭： TCP 允许一方（例如客户端）关闭它的发送通道，但仍然可以接收数据。这意味着即使客户端发送了 FIN 报文段，它仍然可以接收来自服务器的数据，直到服务器也发送 FIN 报文段。

• 三次挥手的问题： 如果只有三次挥手，服务器在收到客户端的 FIN 报文段后，立即发送 FIN+ACK 报文段，那么客户端就无法再接收服务器可能发送的剩余数据。

• 四次挥手如何解决问题

  • 服务器收到客户端的FIN后，发送ACK，表示自己知道客户端要关闭连接了。
  • 但是服务器可能还有数据要发送，所以需要等待。
  • 当服务器数据发送完毕，再发送FIN给客户端。
  • 客户端回复ACK，连接关闭。

四次挥手的必要性：

• 确保数据完整传输： 服务器在收到客户端的 FIN 报文段后，可以继续发送数据，直到数据发送完毕。
• 允许半关闭： 客户端可以先关闭发送通道，但仍然可以接收数据。
• 避免数据丢失： 四次挥手确保了双方都确认了对方要关闭连接，避免了数据丢失。

四次挥手的状态变化：

• FIN_WAIT_1: 客户端发送 FIN 报文段后进入的状态。
• FIN_WAIT_2: 客户端收到服务器的 ACK 报文段后进入的状态。
• CLOSE_WAIT: 服务器收到客户端的 FIN 报文段后进入的状态。
• LAST_ACK: 服务器发送 FIN 报文段后进入的状态。
• TIME_WAIT: 客户端发送 ACK 报文段后进入的状态（等待 2MSL 时间）。
• CLOSED: 连接完全关闭。

TIME_WAIT 状态的作用：

• 确保服务器收到 ACK： 如果服务器没有收到客户端的 ACK 报文段，它会重传 FIN 报文段。TIME_WAIT 状态允许客户端重新发送 ACK 报文段。
• 防止延迟的报文段影响新的连接： 2MSL (Maximum Segment Lifetime，报文段最大生存时间) 时间足够长，可以确保网络中所有延迟的报文段都消失，避免影响新的连接。

总结：

• TCP 四次挥手是为了可靠地关闭全双工连接。
• 不能是三次挥手，因为 TCP 支持半关闭，需要双方分别确认关闭请求。
• 四次挥手确保了数据完整传输，允许半关闭，并避免了数据丢失。
• TIME_WAIT 状态确保了服务器收到 ACK，并防止延迟的报文段影响新的连接。

四次挥手是 TCP 协议为了保证可靠性而设计的，虽然比三次挥手多了一次交互，但它确保了连接的正确关闭，避免了数据丢失和潜在的问题。