在互联网通信中，确保数据传输的可靠性至关重要。TCP三次握手的过程正是为了解决这一问题而设计的。在建立连接之前，客户端和服务器需要确认彼此的存在与准备状态，以防止因网络延迟或数据丢失而导致的错误。通过三次握手，双方不仅能够同步序列号，还能有效地建立稳定的通信链路，从而保证后续数据传输的顺利进行。

TCP基础认识

让我们一起来探索一下TCP头部的格式吧。其中，用颜色标注的部分是与我们讨论的主题关系比较密切的字段，而其余部分我们就暂时不深入探讨了。

  • 序列号：在建立连接的过程中，由计算机生成的一个随机数值被用作初始序列号，并通过SYN数据包传递给接收端主机。每当发送数据时，该序列号会根据所发送的数据字节数进行相应的递增。这种方法有助于解决网络传输中可能出现的数据包乱序问题。

  • 确认应答号：下次预期接收的数据序列号，即为确认应答（ACK）中所指的序列号。当发送端接收到此确认应答后，可以认为该序列号之前的所有数据均已成功传输至接收端。这一机制主要用于解决网络传输过程中可能出现的数据包丢失问题。

  • 控制位：

    • ACK：当这个位是1的时候，「确认应答」就生效了。TCP 规定，除了刚开始建立连接时发送的 SYN 包之外，其他情况下这个位都必须设为1。

    • RST：当这个位是1的时候，意味着 TCP 连接出了问题，必须强制断开。

    • SYN：当这个位置是1的时候，就表示想要建立连接，并且会在[序列号]那一栏设定一个起始的序列号。

    • FIN：当这个位置为1时，意味着之后不会再发送数据了，想要结束连接。当双方都完成了通信并且想要断开连接时，两台电脑会互相发送FIN位设为1的TCP数据包。

TCP连接建立

TCP是一种需要先建立连接才能使用的协议。在开始传输数据之前，双方得通过一个叫做“三次握手”的过程来建立起这个连接。具体怎么握手的步骤可以看下面的图。

TCP三次握手过程

一开始，客户端和服务端都处于CLOSED状态。先是服务端主动监听某个端口，处于LISTEN状态。

第一个报文：SYN报文

客户端会随机初始化序号client_isn，将此序号置于TCP 首部的序号字段中，同时把SYN标志位置为1 ，表示SYN 报文。接着把第一个SYN报文发送给服务端，表示向服务端发起连接，该报文不包含应用层数据，之后客户端处于SYN-SENT状态。

第二个报文:SYN+ACK报文

服务端收到客户端的SYN报文后，首先服务端也随机初始化自己的序号server_isn，将此序号填入TCP首部的序号字段中，其次把TCP首部的确认应答号字段填入client_isn+1, 接着把SYN和ACK标志位置为1。最后把该报文发给客户端，该报文也不包含应用层数据，之后服务端处于SYN-RCVD状态。

第三个报文：ACK报文

  • 客户端收到服务端报文后，还要向服务端回应最后一个应答报文，首先该应答报文TCP首部ACK标志位置为1 ，其次确认应答号字段填入server_isn+1 ，最后把报文发送给服务端，这次报文可以携带客户到服务器的数据，之后客户端处于ESTABLISHED状态。
  • 服务器收到客户端的应答报文后，也进入ESTABLISHED状态。

通过ENSP搭建一个简单的实验环境，如下图

为了让大家直观了解三次握手的过程，以下通过Wireshark抓包软件，抓取三次握手的数据包。

三次握手数据包

  • 第一次握手标志位

从标志位看出，同步位有值，在做请求SYN:Syn同步位为1

第一次握手数据包

  • 第二次握手标志位

从标志位看出，确认位、同步位有值，在做应答SYN+ACK：Syn同步位为1、Acknowledgment 确认位为1。

第二次握手数据包

  • 第三次握手标志位

从标志位看出，只有确认位有值，在做再次确认SYN：Acknowledgment确认位为1

第三次握手数据包

常见面试题

  1. TCP 建立连接为什么要三次握手而不是两次？

TCP连接需要三次握手，而不是两次，主要是为了保证两边都能顺利通信，而且连接稳定。第一次握手时，客户端告诉服务器想建立连接；第二次握手，服务器回复说它已经准备好接受连接了；第三次握手是客户端再次确认，确保双方都已经准备好发送数据了。如果只有两次握手的话，有时候可能会导致客户端和服务器之间的情况不对等，造成数据丢失或者连接不稳定的问题。所以，通过三次握手，可以确保两边都确认好了，为后面的数据传输做好准备。

  1. TCP 建立连接为什么要三次握手而不是四次？

TCP用三次握手而不是四次来建立连接，是因为三次已经足够确认双方状态和同步序列号了。第一次握手是客户端发出请求，第二次握手是服务器回应，第三次握手是客户端再次确认，这样就能可靠地建立起连接。如果改成四次握手，反而会增加不必要的等待时间和资源浪费。三次握手既能保证双方都准备好通信，又能快速有效地完成连接。

  1. 有一种网络攻击是利用了TCP建立连接机制的漏洞，你了解吗？这个问题怎么解决？

一种利用TCP连接建立过程中潜在安全漏洞的网络攻击手段被称为TCP SYN Flood攻击。此类攻击策略性地利用了TCP三次握手协议的特性，通过向目标服务器发送大量SYN（同步序列编号）请求报文，但故意不响应最终的ACK（确认应答）报文来完成握手过程。这种行为会导致目标服务器上开放大量的半开连接状态，进而消耗其有限的资源，如内存和处理能力，最终使得服务器难以或无法为合法用户提供服务。

解决方案：

  • SYN Cookies：服务器在收到SYN请求时不立即分配资源，而是生成一个加密的SYN Cookie，只有在收到合法的ACK时才会真正建立连接。
  • 限制SYN请求速率：通过配置防火墙或入侵检测系统（IDS）来限制某个IP地址的SYN请求频率，防止过多请求。
  • 使用负载均衡：将流量分散到多个服务器，减少单一服务器的压力。
  • 设置连接超时：调整服务器的连接超时设置，减少等待状态的持续时间。

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