面试题：网络编程中TCP连接建立与断开的过程及状态变迁

Question

在网络编程基于TCP/IP协议栈的背景下，请详细描述TCP连接建立（三次握手）和断开（四次挥手）的过程，并说明每一步对应的TCP状态变迁。

Answer 1

TCP连接建立（三次握手）过程及状态变迁

1. 第一次握手：
   • 过程：客户端向服务器发送一个SYN（同步序列号）报文段，该报文段中包含客户端的初始序列号（ISN），记为seq=x。此时客户端进入SYN_SENT状态。
   • 状态变迁：客户端从CLOSED状态变迁到SYN_SENT状态。
2. 第二次握手：
   • 过程：服务器接收到客户端的SYN报文段后，向客户端发送一个SYN + ACK报文段。其中SYN部分的序列号是服务器的初始序列号（ISN），记为seq=y，ACK部分是对客户端SYN报文段的确认，确认号为ack=x + 1。此时服务器进入SYN_RCVD状态。
   • 状态变迁：服务器从LISTEN状态变迁到SYN_RCVD状态。
3. 第三次握手：
   • 过程：客户端接收到服务器的SYN + ACK报文段后，向服务器发送一个ACK报文段。该ACK报文段的确认号为ack=y + 1，序列号为seq=x + 1。此时客户端进入ESTABLISHED状态。服务器接收到该ACK报文段后也进入ESTABLISHED状态。
   • 状态变迁：客户端从SYN_SENT状态变迁到ESTABLISHED状态，服务器从SYN_RCVD状态变迁到ESTABLISHED状态。

TCP连接断开（四次挥手）过程及状态变迁

1. 第一次挥手：
   • 过程：主动关闭方（通常为客户端）发送一个FIN（结束标志）报文段，该报文段的序列号为seq=u（假设此时主动关闭方已经发送到序列号u），表示主动关闭方没有数据要发送了，此时主动关闭方进入FIN_WAIT_1状态。
   • 状态变迁：主动关闭方从ESTABLISHED状态变迁到FIN_WAIT_1状态。
2. 第二次挥手：
   • 过程：被动关闭方（通常为服务器）接收到FIN报文段后，发送一个ACK报文段，确认号为ack=u + 1，序列号为seq=v（假设被动关闭方已经发送到序列号v），表示已经收到主动关闭方的关闭请求。此时被动关闭方进入CLOSE_WAIT状态，主动关闭方收到ACK报文段后进入FIN_WAIT_2状态。
   • 状态变迁：被动关闭方从ESTABLISHED状态变迁到CLOSE_WAIT状态，主动关闭方从FIN_WAIT_1状态变迁到FIN_WAIT_2状态。
3. 第三次挥手：
   • 过程：被动关闭方处理完数据后，也发送一个FIN报文段，序列号为seq=w（假设被动关闭方新的序列号为w），确认号仍为ack=u + 1，表示被动关闭方也没有数据要发送了，此时被动关闭方进入LAST_ACK状态。
   • 状态变迁：被动关闭方从CLOSE_WAIT状态变迁到LAST_ACK状态。
4. 第四次挥手：
   • 过程：主动关闭方接收到被动关闭方的FIN报文段后，发送一个ACK报文段，确认号为ack=w + 1，序列号为seq=u + 1，然后进入TIME_WAIT状态。经过2MSL（Maximum Segment Lifetime，最长报文段寿命）时间后，主动关闭方进入CLOSED状态。被动关闭方收到ACK报文段后直接进入CLOSED状态。
   • 状态变迁：主动关闭方从FIN_WAIT_2状态变迁到TIME_WAIT状态，经过2MSL后变迁到CLOSED状态；被动关闭方从LAST_ACK状态变迁到CLOSED状态。