计算机网络学习--------三次握手与四次挥手

        计算机网络：TCP 的三次握手与四次挥手（基于 Java）​在计算机网络的世界里，TCP（传输控制协议）犹如一位严谨的通信管家，确保数据在网络中可靠传输。而三次握手和四次挥手作为 TCP 建立和终止连接的关键环节，是实现可靠通信的核心所在。

        三次握手是 TCP 协议中建立连接的过程。简单来说，就是客户端和服务器通过三次数据包的交互，来确认双方的发送和接收能力都处于正常状态，最终建立起一条可靠的通信链路。它就像两个人打电话，先问 “你能听到我说话吗”，对方回应 “能听到，你能听到我吗”，再回应 “能听到”，这样通话连接就建立好了。​

        四次挥手则是 TCP 协议中终止连接的过程。由于 TCP 连接是全双工的，双方可以同时发送数据，所以关闭连接时需要双方分别确认，通过四次数据包交互，逐步关闭各自的发送通道，最终释放连接所占用的资源。这好比通话结束时，一方说 “我说完了”，对方回应 “知道了”，然后对方说 “我也说完了”，最后一方回应 “好的，再见”，通话连接就此终止。​

        三次握手的作用​有：

（1）确认通信能力：通过三次交互，双方都能确认对方既能发送数据，也能接收数据，避免了因一方通信能力故障而导致的数据传输失败。​

（2）同步序列号：TCP 通过序列号来保证数据的有序性和完整性，三次握手过程中，双方会交换初始序列号，为后续数据传输时的排序和去重打下基础。​

（3）防止无效连接：可以避免网络中滞留的过期连接请求报文被服务器误接收，从而防止服务器因建立无效连接而浪费资源。​

        而四次挥手的主要作用有：​

（1）优雅释放资源：确保双方已传输的数据都被正确接收，不会在连接关闭时出现数据丢失的情况。​

（2）处理半关闭状态：支持一方先关闭发送通道，但仍能继续接收数据的 “半关闭” 场景，以适应实际通信中可能出现的不对称关闭需求。​

（3）避免连接残留：通过双方的确认，彻底释放连接所占用的端口、缓存等资源，防止资源泄漏。​

        三次握手的主要原理为：

（1）第一次握手：客户端向服务器发送一个 SYN 报文段，其中包含客户端的初始序列号，并将 SYN 标志位设为 1。此时客户端进入 SYN_SENT 状态，等待服务器的响应。​

（2）第二次握手：服务器收到 SYN 报文后，会返回一个 SYN+ACK 报文段。其中 SYN 标志位设为 1，包含服务器的初始序列号；ACK 标志位设为 1，确认号为客户端初始序列号 + 1，表示已收到客户端的 SYN 报文。此时服务器进入 SYN_RCVD 状态。​

（3）第三次握手：客户端收到 SYN+ACK 报文后，发送一个 ACK 报文段，ACK 标志位设为 1，确认号为服务器初始序列号 + 1，表示已收到服务器的 SYN 报文。客户端发送完毕后进入 ESTABLISHED 状态，服务器收到 ACK 后也进入 ESTABLISHED 状态，双方开始传输数据。​

        而四次挥手的原理为：​

（1）第一次挥手：假设客户端主动关闭连接，发送一个 FIN 报文段，FIN 标志位设为 1，序列号为客户端已发送数据的最后一个字节序号 + 1。客户端进入 FIN_WAIT_1 状态，表明不再发送数据，但仍可接收数据。​

（2）第二次挥手：服务器收到 FIN 报文后，返回一个 ACK 报文段，确认号为客户端 FIN 的序列号 + 1，表明已收到关闭请求。服务器进入 CLOSE_WAIT 状态，客户端收到 ACK 后进入 FIN_WAIT_2 状态，等待服务器的关闭通知。​

（3）第三次挥手：服务器完成剩余数据传输后，向客户端发送 FIN 报文段，FIN 标志位设为 1，序列号为服务器已发送数据的最后一个字节序号 + 1。服务器进入 LAST_ACK 状态，等待客户端确认。​

（4）第四次挥手：客户端收到 FIN 报文后，返回 ACK 报文段，确认号为服务器 FIN 的序列号 + 1，并进入 TIME_WAIT 状态。服务器收到 ACK 后进入 CLOSED 状态；客户端等待一段时间（通常为 2MSL）后，也进入 CLOSED 状态，连接彻底释放。​

        三次握手的应用场景​主要为：

（1）HTTP/HTTPS 通信：当我们在浏览器中输入网址访问网页时，浏览器与 Web 服务器之间首先要通过三次握手建立 TCP 连接，然后才能传输网页数据。​

（2）文件传输：像 FTP 协议进行文件传输时，依赖 TCP 连接，三次握手保证了大文件在传输过程中不会因连接问题而丢失数据。​

（3）邮件发送：邮件客户端与邮件服务器之间发送邮件时，也需要通过三次握手建立 TCP 连接，确保邮件内容能完整送达。​

        而四次挥手的应用场景​主要为;

（1）网页浏览结束：当我们关闭浏览器或者从一个网页跳转到另一个网页时，客户端与原 Web 服务器会通过四次挥手释放 TCP 连接。​

（2）文件传输完成：FTP 文件传输完成后，双方会进行四次挥手关闭连接，释放所占用的资源。​

（3）网络异常中断处理：当网络出现故障或者连接超时等异常情况时，通信双方会通过四次挥手来优雅地关闭连接。​

        三次握手的优缺点​分别是：

        优点：仅通过三次交互就可以确认双方的通信能力，在可靠性和效率之间取得了较好的平衡；同步序列号机制为数据的有序传输提供了保障；能有效防止过期连接请求导致的资源浪费。​

        缺点：相比 UDP 等无连接协议，建立连接的耗时更长，不适合对实时性要求极高的场景，如实时视频通话；可能会遭受 SYN 洪水攻击，攻击者发送大量伪造的 SYN 报文，导致服务器资源耗尽。​

        而四次挥手的优缺点​主要有;

        优点：支持半关闭状态，能适应复杂的通信场景；通过 TIME_WAIT 状态确保最后一个 ACK 被收到，避免连接残留；能彻底释放资源，防止端口被长期占用。​

        缺点：四次交互增加了连接关闭的耗时，在高并发场景下可能会影响系统的吞吐量；TIME_WAIT 状态默认等待时间较长，若短时间内大量连接关闭，可能会导致端口耗尽。​

        在 Java 中，我们可以使用 Socket 和 ServerSocket 来模拟 TCP 的连接建立和关闭过程，其中就隐含了三次握手和四次挥手的操作（由操作系统底层实现）。

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

// 服务端
public class TCPServer {
    public static void main(String[] args) {
        ServerSocket serverSocket = null;
        Socket clientSocket = null;
        InputStream in = null;
        OutputStream out = null;
        try {
            // 创建ServerSocket，监听指定端口
            serverSocket = new ServerSocket(8888);
            System.out.println("服务器启动，等待客户端连接...");
            
            // 等待客户端连接，accept()方法会阻塞，直到有客户端连接
            // 这里隐含了三次握手的过程
            clientSocket = serverSocket.accept();
            System.out.println("客户端连接成功，客户端地址：" + clientSocket.getInetAddress());
            
            // 获取输入流和输出流
            in = clientSocket.getInputStream();
            out = clientSocket.getOutputStream();
            
            // 读取客户端发送的数据
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int len = in.read(buffer);
            System.out.println("收到客户端数据：" + new String(buffer, 0, len));
            
            // 向客户端发送数据
            String response = "Hello, Client!";
            out.write(response.getBytes());
            out.flush();
            
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                // 关闭资源，隐含了四次挥手的过程
                if (in != null) in.close();
                if (out != null) out.close();
                if (clientSocket != null) clientSocket.close();
                if (serverSocket != null) serverSocket.close();
                System.out.println("服务器连接关闭");
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;

// 客户端
public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) {
        Socket socket = null;
        OutputStream out = null;
        InputStream in = null;
        try {
            // 创建Socket，连接服务器，这里隐含了三次握手的过程
            socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
            System.out.println("连接服务器成功");
            
            // 获取输入流和输出流
            out = socket.getOutputStream();
            in = socket.getInputStream();
            
            // 向服务器发送数据
            String data = "Hello, Server!";
            out.write(data.getBytes());
            out.flush();
            
            // 读取服务器返回的数据
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int len = in.read(buffer);
            System.out.println("收到服务器数据：" + new String(buffer, 0, len));
            
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                // 关闭资源，隐含了四次挥手的过程
                if (out != null) out.close();
                if (in != null) in.close();
                if (socket != null) socket.close();
                System.out.println("客户端连接关闭");
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

        在这两段代码中，当客户端执行new Socket("127.0.0.1", 8888)和服务器执行serverSocket.accept()时，底层会完成三次握手过程以建立连接。而当我们关闭 Socket 等资源时，底层则会进行四次挥手来终止连接。需要注意的是，三次握手和四次挥手的具体实现是在操作系统的 TCP/IP 协议栈中，Java 代码只是通过 API 触发了这些过程。