TCP 连接分为三个部分：启动、数据传输和退出。
连接建立
建立一条 TCP 连接需要完成以下三步：
- 客户端将一个特殊的 TCP 报文封装在一个 IP 数据报中发送给服务器端，其中不包含任何应用层数据但 SYN 置为 1 以表明想要建立一条连接。同时会发送客户端的初始序号 client_isn 以及选项（如果有的话）。
- 服务器收到后，如果同意建立连接的话会返回一个 SYNACK 报文段以表明自己已准备好连接，其中 SYN 同样置为 1，ACK 为 client_isn + 1 以确认之前客户端发送的报文，最后将自己的初始序号 server_isn 放入报文。
- 客户端收到了 SYNACK 后，会返回另一个报文段给服务器端，此时 SYN 置为 0，ACK 为 server_isn + 1，表明自己准备好连接。
这个过程中 isn 的交换和 ack 值的确定与 TCP 正常传输相同，表明建立连接的核心在于 SYN 的值，可以认为是希望对方能对此做好准备，所以这个过程可以认为是如下对话：
- 客户端：我想建立连接，希望你准备好（SYN），我的序号为 client_isn
- 服务端：我收到了你的 client_isn 请求（ACK），我同意建立此连接，我已准备好，希望你也准备好（SYN），我的序号为 server_isn
- 客户端：我收到了你的 server_isn 回复（ACK），我已准备完毕，我的序号 client_isn + 1
注意到第三步因为对方已准备好，此时并没有想要对方做好准备的意思，因此 SYN 置为 0，避免了与第一步的含义发生冲突，在之后发送的所有数据报中 SYN 始终都被置为 0。
这一过程常被称为 三次握手，完成后双方就可相互发送数据。之所以需要这一过程是为了让双方都为该连接准备好资源，如内存和变量初始化，同时交换了双方的初始序号（Initial Sequence Number, ISN）。
对于第三个过程看似可以通过发送数据的方式替代，但实则不然，其目的是为了防止服务器因为失效的请求建立无效的连接。试想一个延迟较高的网络，客户端第一次请求由于延迟超时，再次发送了请求，这样服务器会收到两次请求，都会建立连接，但客户端会忽略第一次连接的确认报文而无返回。这时如果有第三个过程，服务器就可以知道第一次连接失效可以将其关闭。
连接关闭
对于连接的双方都可以提出关闭连接的请求，当双方都关闭时此时完成关闭，可以分为如下四部：
- 主动关闭者 A 发送一个特殊报文，将 FIN 置为 1，同时有 Seq 表明对方希望看到的自己当前序列号 K 和 ACK 确认对方最近发来的一个数据 L。
- 被动关闭者 B 收到后，将 K + 1 作为 ACK 值返回表明自己已收到对方的关闭请求。此时处于半关闭状态，A 不再能发送数据但 B 仍能发送给 A 。
- 当 B 数据发送完毕后，为了关闭自己的连接便转变为主动关闭者，同样发送一个 FIN 报文，序列号为 L。
- A 收到后再返回个确认报文，进入 TIME_WAIT 状态后，等待 2MSL 后释放连接。B 在收到 A 的 ACK 后释放连接。
这个过程也被称为 四次挥手，FIN 置 1 的含义为自己已完成了向对方的数据传输，又因为 TCP 是双向的，所以只有当双方都发送了 FIN 报文，即双方都完成了数据传输，此时才可释放连接。
相比建立连接多了一个步骤，在于被动关闭者对于对方的关闭确认和自己的关闭请求分为了两步，原因在于他可能还有数据未发送完，这时已只能单向传输数据所以处于半关闭状态。
值得注意的是，在最后一个环节时返回 ACK 时，发送的 ACK 不占用序列号，但这个 ACK 仍有丢失的风险，解决方法由 TIME_WAIT 状态处理，在下面有详细说明。
TCP 状态转换
之前介绍了 TCP 连接和关闭的过程，本质上其实是在 TCP 的各个状态间进行转换，发送的 SYN、FIN 等就是状态转换的标志。
上图中粗黑线代表典型的客户端状态转移，蓝线代表典型的服务器状态转移。从中可以找到连接建立和关闭的状态转换。
TIME_WAIT
TIME_WAIT 状态又称 2MSL 等待状态，处于在接收到 FIN 后发送 ACK 之后，此时需要等待两倍于最大段生命（Maximum Segment Lifetime, MSL）的时间。
由于发送 FIN 的一方在没有 ACK 的时候会不断发送 FIN 直到得到回复，TIME_WAIT 这一段时间就是为了防止对方没有收到自己发送的 ACK，如果再次收到 FIN 就说明对方并未收到 ACK，重发即可。
同时打开和关闭
在上图中有两处表明了同时打开和关闭的地方，虽然这种情况发送几率较小但 TCP 仍对此作了处理以保证只建立一条连接以及能正常关闭。
当双方同时建立连接时，相比正常建立连接多了一个报文，此时双方都既是服务器又是客户端，双方都得回复一个 SYN + ACK。同时关闭与正常的关闭类似，只是传递的报文段是交叉的。
连接重置
一般而言当传输发生错误时，会使用一个重置报文（RST 设为 1）终止连接，下面是会用到重置报文的一些场景。
- 连接端口不存在：端口不存在时连接被拒绝，TCP 协议用重置报文完成此工作。
- 终止连接：用 FIN 可以安全关闭连接，但是有时不想再处理已发出数据的情况，例如错误的开始发送一个大型文件，可以用 RST 快速结束连接。
- 半开连接的终止：当某一方意外，在没有告知对方的情况下关闭了连接，例如停电，这时当对方再次发送数据就可以返回 RST 使对方关闭连接。
重置报文不会有应答，发送之后自己就会立即关闭连接。如果重置报文发生丢包，那么对方再次发送数据就会发送第二个情况再次返回 RST。如果重置报文始终丢包，会触发对方的重传机制，直到重传超时关闭连接。