【网络面试篇】TCP连接建立（笔记）

一、三次握手

1. 过程描述

2. 为什么是三次握手？不是两次、四次？

（1）三次握手才可以阻止重复历史连接的初始化

（2）三次握手才可以同步双方的初始序列号

（3）三次握手才可以避免资源浪费

3. 如何唯一确定一个 TCP 连接？

4. TCP 头

（1）序列号

（2）确认应答号

（3）控制位

二、相关问题

1. 第一次握手丢失了，会发生什么？

2. 第二次握手丢失了，会发生什么？

3. 第三次握手丢失了，会发生什么？

一、三次握手

1. 过程描述

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

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。

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。

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 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端的数据，之后客户端处于 ESTABLISHED 状态。
服务端收到客户端的应答报文后，也进入 ESTABLISHED 状态。

2. 为什么是三次握手？不是两次、四次？

（1）三次握手才可以阻止重复历史连接的初始化（主要原因）

现在考虑一个场景，客户端先发送了 SYN （seq=90）报文，然后客户端宕机了，而且这个 SYN 报文还被网络阻塞了，服务端并没有收到，接着客户端重启后，又重新向服务端建立连接，发送了 SYN （seq=100）报文（这里不是重传 SYN，重传的 SYN 的序列号是一样的）。

客户端连续发送多次 SYN（都是同一个四元组）建立连接的报文，在网络拥堵情况下：

一个「SYN 报文」比「最新的 SYN」报文早到达了服务端，那么此时服务端就会回一个 SYN+ACK 报文给客户端，此报文中的确认号是 91（90+1）。
客户端收到后，发现自己期望收到的确认号应该是 100+1，而不是 90+1，于是就会回 RST 报文。
服务端收到 RST 报文后，就会释放连接。
后续最新的 SYN 抵达了服务端后，客户端与服务端就可以正常的完成三次握手了。

在两次握手的情况下，服务端在收到 SYN 报文后，就进入 ESTABLISHED 状态，意味着这时可以给对方发送数据，但是客户端此时还没有进入 ESTABLISHED 状态，假设这次是历史连接，客户端判断到此次连接为历史连接，那么就会回 RST 报文来断开连接，而服务端在第一次握手的时候就进入ESTABLISHED 状态，所以它可以发送数据的，但是它并不知道这个是历史连接，它只有在收到 RST 报文后，才会断开连接。

可以看到，如果采用两次握手建立 TCP 连接的场景下，服务端在向客户端发送数据前，并没有阻止掉历史连接，导致服务端建立了一个历史连接，又白白发送了数据，妥妥地浪费了服务端的资源。

因此，要解决这种现象，最好就是在服务端发送数据前，也就是建立连接之前，要阻止掉历史连接，这样就不会造成资源浪费，而要实现这个功能，就需要三次握手。

所以，TCP 使用三次握手建立连接的最主要原因是防止「历史连接」初始化了连接。

（2）三次握手才可以同步双方的初始序列号

TCP 协议的通信双方，都必须维护一个「序列号」，序列号是可靠传输的一个关键因素，它的作用：

接收方可以去除重复的数据。
接收方可以根据数据包的序列号按序接收。
可以标识发送出去的数据包中，哪些是已经被对方收到的（通过 ACK 报文中的序列号知道）。

可见，序列号在 TCP 连接中占据着非常重要的作用，所以当客户端发送携带「初始序列号」的 SYN 报文的时候，需要服务端回一个 ACK 应答报文，表示客户端的 SYN 报文已被服务端成功接收，那当服务端发送「初始序列号」给客户端的时候，依然也要得到客户端的应答回应，这样一来一回，才能确保双方的初始序列号能被可靠的同步。

四次握手其实也能够可靠的同步双方的初始化序号，但由于第二步和第三步可以优化成一步，所以就成了「三次握手」。

而两次握手只保证了一方的初始序列号能被对方成功接收，没办法保证双方的初始序列号都能被确认接收。

（3）三次握手才可以避免资源浪费

如果只有「两次握手」，当客户端发生的 SYN 报文在网络中阻塞，客户端没有接收到 ACK 报文，就会重新发送 SYN，由于没有第三次握手，服务端不清楚客户端是否收到了自己回复的 ACK 报文，所以服务端每收到一个 SYN 就只能先主动建立一个连接，这会造成什么情况呢？

如果客户端发送的 SYN 报文在网络中阻塞了，重复发送多次 SYN 报文，那么服务端在收到请求后就会建立多个冗余的无效链接，造成不必要的资源浪费。

即两次握手会造成消息滞留情况下，服务端重复接受无用的连接请求 SYN 报文，而造成重复分配资源。

3. 如何唯一确定一个 TCP 连接？

TCP 四元组可以唯一的确定一个连接，四元组包括如下：

源地址和目的地址的字段（32位）是在 IP 头部中，作用是通过 IP 协议发送报文给对方主机。

源端口和目的端口的字段（16位）是在 TCP 头部中，作用是告诉 TCP 协议应该把报文发给哪个进程。

4. TCP 头

（1）序列号

在建立连接时由计算机生成的随机数作为其初始值，通过 SYN 包传给接收端主机，每发送一次数据，就「累加」一次该「数据字节数」的大小。用来解决网络包乱序问题。

（2）确认应答号

指下一次「期望」收到的数据的序列号，发送端收到这个确认应答以后可以认为在这个序号以前的数据都已经被正常接收。用来解决丢包的问题。

（3）控制位

ACK：该位为 1 时，「确认应答」的字段变为有效，TCP 规定除了最初建立连接时的 SYN 包之外该位必须设置为 1。
RST：该位为 1 时，表示 TCP 连接中出现异常必须强制断开连接。
SYN：该位为 1 时，表示希望建立连接，并在其「序列号」的字段进行序列号初始值的设定。
FIN：该位为 1 时，表示今后不会再有数据发送，希望断开连接。当通信结束希望断开连接时，通信双方的主机之间就可以相互交换 FIN 位为 1 的 TCP 段。

二、相关问题

1. 第一次握手丢失了，会发生什么？

当客户端想和服务端建立 TCP 连接的时候，首先第一个发的就是 SYN 报文，然后进入到 SYN_SENT 状态。在这之后，如果客户端迟迟收不到服务端的 SYN-ACK 报文（第二次握手），就会触发「超时重传」机制，重传 SYN 报文，而且 重传的 SYN 报文的序列号都是一样的。

在 Linux 里，客户端的 SYN 报文最大重传次数由 tcp_syn_retries 内核参数 控制，这个参数是可以自定义的，默认值一般是 5。

通常，每次超时的时间是上一次的 2 倍。当第五次超时重传后，会继续等待 32 秒，如果服务端仍然没有回应 ACK，客户端就不再发送 SYN 包，然后断开 TCP 连接。

举个例子，假设 tcp_syn_retries 参数值为3，那么当客户端的 SYN 报文一直在网络中丢失时，会发生下图的过程：

当客户端超时重传 3 次 SYN 报文后，由于 tcp_syn_retries 为 3，已达到最大重传次数，于是再等待一段时间（时间为上一次超时时间的 2 倍），如果还是没能收到服务端的第二次握手（SYN-ACK 报文），那么客户端就会断开连接。

2. 第二次握手丢失了，会发生什么？

当服务端收到客户端的第一次握手后，就会回 SYN-ACK 报文给客户端，这个就是第二次握手，此时 服务端会进入 SYN_RCVD 状态。

第二次握手的 SYN-ACK 报文有两个目的：

第二次握手里的 ACK，是对第一次握手的确认报文。
第二次握手里的 SYN，是服务端发起建立 TCP 连接的报文。

因为第二次握手报文里是包含对客户端的第一次握手的 ACK 确认报文，所以，如果客户端迟迟没有收到第二次握手，那么客户端就觉得可能自己的 SYN 报文（第一次握手）丢失了，于是 客户端就会触发 超时重传机制，重传 SYN 报文。

然后，因为第二次握手中包含服务端的 SYN 报文，所以当客户端收到后，需要给服务端发送 ACK 确认报文（第三次握手），服务端才会认为该 SYN 报文被客户端收到了。那么，如果第二次握手丢失了，服务端就收不到第三次握手，于是 服务端这边会触发超时重传机制，重传SYN-ACK 报文。

在 Linux 下，SYN-ACK 报文的最大重传次数由 tcp_synack_retries 内核参数决定，默认值是 5。

因此，当第二次握手丢失了，客户端和服务端都会重传：

客户端会重传 SYN 报文，也就是第一次握手，最大重传次数由 tcp_syn_retries 内核参数决定。
服务端会重传 SYN-ACK 报文，也就是第二次握手，最大重传次数由 tcp_synack_retries 内核参数决定。

举个例子，假设 tcp_syn_retries 参数值为1，tcp_synack_retries 参数值为 2，那么当第二次握手一直丢失时，发生的过程如下图：

当客户端超时重传1次 SYN报文后，由于 tcp_syn_retries 为1，已达到最大重传次数，于是再等待一段时间（时间为上一次超时时间的2倍），如果还是没能收到服务端的第二次握手（SYN-ACK 报文），那么客户端就会断开连接。
当服务端超时重传 2次 SYN-ACK 报文后，由于 tcp_synack_retries 2，已达到最大重传次数，于是再等待一段时间（时间为上一次超时时间的2倍），如果还是没能收到客户端的第三次握手（ACK报文），那么服务端就会断开连接。

3. 第三次握手丢失了，会发生什么？

客户端收到服务端的 SYN-ACK 报文后，就会给服务端回一个 ACK 报文，也就是第三次握手，此时 客户端状态进入到 ESTABLISH 状态。

因为这个第三次握手的 ACK 是对第二次握手的 SYN 的确认报文，所以当第三次握手丢失了，如果 服务端 那一方迟迟收不到这个确认报文，就会触发超时重传机制，重传 SYN-ACK 报文，直到收到第三次握手，或者达到最大重传次数。

注意，ACK 报文是不会有重传的，当 ACK 丢失了，就由对方重传对应的报文。

举个例子，假设 tcp_synack_retries 参数值为 2，那么当第三次握手一直丢失时，发生的过程如下图：

当服务端超时重传 2 次 SYN-ACK 报文后，由于 tcp_synack_retries 为 2，已达到最大重传次数，于是再等待一段时间（时间为上一次超时时间的 2 倍），如果还是没能收到客户端的第三次握手（ACK 报文），那么服务端就会断开连接。