面试题：网络编程中TCP协议的连接建立与断开过程

Question

请详细描述在网络编程里，TCP协议是如何进行三次握手建立连接以及四次挥手断开连接的，并且说明每一步骤的作用及可能出现的异常情况。

Answer 1

TCP三次握手建立连接

1. 第一次握手（客户端 -> 服务器）：
   • 作用：客户端向服务器发送一个带有 SYN（同步序列号）标志的 TCP 数据包，该数据包中包含一个初始序列号（ISN，Initial Sequence Number）。客户端通过此步骤告知服务器它想要建立连接，并为后续的数据传输初始化序列号。
   • 异常情况：若客户端长时间未收到服务器的响应，可能是网络故障（如网络延迟过高、路由错误等），导致 SYN 包无法到达服务器；也可能是服务器端防火墙等安全策略拦截了该 SYN 包。
2. 第二次握手（服务器 -> 客户端）：
   • 作用：服务器接收到客户端的 SYN 包后，会向客户端发送一个 SYN + ACK 包。其中 SYN 部分包含服务器的初始序列号，ACK 部分是对客户端 SYN 包的确认，确认号为客户端的初始序列号加 1。此步骤服务器告知客户端它已收到连接请求，并同意建立连接，同时也初始化自身的序列号。
   • 异常情况：如果客户端收到的 SYN + ACK 包中的确认号不正确，可能是在传输过程中数据包被篡改，或者服务器处理 SYN 包时出现错误；若客户端长时间未收到 SYN + ACK 包，可能是网络问题导致该包丢失。
3. 第三次握手（客户端 -> 服务器）：
   • 作用：客户端收到服务器的 SYN + ACK 包后，向服务器发送一个 ACK 包，确认号为服务器的初始序列号加 1，序列号为客户端在第一次握手中的初始序列号加 1。此步骤完成连接的建立，客户端和服务器双方都确认对方已准备好进行数据传输。
   • 异常情况：若服务器未收到客户端的 ACK 包，可能是网络问题导致 ACK 包丢失；若服务器收到的 ACK 包中的确认号不正确，可能存在数据篡改或客户端处理 SYN + ACK 包错误。

TCP四次挥手断开连接

1. 第一次挥手（主动关闭方 -> 被动关闭方）：
   • 作用：主动关闭方（通常是客户端，但也可以是服务器）发送一个 FIN 包，标志着主动关闭方不再发送数据，但仍可以接收数据。此步骤告知被动关闭方主动关闭方想要关闭连接。
   • 异常情况：若被动关闭方长时间未收到 FIN 包，可能是网络故障导致 FIN 包丢失；也可能是被动关闭方的防火墙等安全策略拦截了该 FIN 包。
2. 第二次挥手（被动关闭方 -> 主动关闭方）：
   • 作用：被动关闭方接收到 FIN 包后，发送一个 ACK 包给主动关闭方，确认号为接收到的 FIN 包的序列号加 1。此时被动关闭方进入 CLOSE_WAIT 状态，表示它已收到关闭连接的请求，但还可能有数据需要继续发送。
   • 异常情况：如果主动关闭方收到的 ACK 包中的确认号不正确，可能是传输过程中数据包被篡改，或者被动关闭方处理 FIN 包时出现错误；若主动关闭方长时间未收到 ACK 包，可能是网络问题导致该包丢失。
3. 第三次挥手（被动关闭方 -> 主动关闭方）：
   • 作用：当被动关闭方完成数据发送后，它会发送一个 FIN 包给主动关闭方，表明它也准备好关闭连接。
   • 异常情况：若主动关闭方长时间未收到 FIN 包，可能是网络故障导致 FIN 包丢失；也可能是被动关闭方在处理完数据后未能及时发送 FIN 包。
4. 第四次挥手（主动关闭方 -> 被动关闭方）：
   • 作用：主动关闭方接收到被动关闭方的 FIN 包后，发送一个 ACK 包给被动关闭方，确认号为接收到的 FIN 包的序列号加 1。然后主动关闭方进入 TIME_WAIT 状态，等待 2MSL（Maximum Segment Lifetime，最长报文段寿命）时间后完全关闭连接。被动关闭方收到 ACK 包后立即关闭连接。此步骤确保被动关闭方也能确认连接关闭，同时主动关闭方通过 TIME_WAIT 状态等待，以处理可能延迟到达的数据包。
   • 异常情况：若被动关闭方未收到 ACK 包，可能是网络问题导致 ACK 包丢失；若主动关闭方在 TIME_WAIT 状态期间收到一些异常数据包，需要按照 TCP 协议的规则进行处理，如判断是否为重复的 FIN 包等。如果主动关闭方在 TIME_WAIT 状态结束前重启，可能会导致一些未处理完的连接出现问题。