TCP三次握手总结

1.概述

TCP是面向连接的可靠传输协议，在数据传输前，通信双方必须通过三次握手建立连接。其核心作用是同步序列号、协商参数（如MSS、窗口缩放因子），并确认双方具备收发能力

2.目的

• 确保双方都能发送和接收数据（全双工通信）。

• 交换初始序列号（ISN，Initial Sequence Number），为后续可靠传输（如确认、重传）奠定基础。

• 协商可选参数（如最大报文段长度MSS、窗口缩放因子、选择性确认SACK等）。

3.详细过程

• 服务器通过listen()进入LISTEN状态，等待连接。

• 客户端通过connect()发起连接。

步骤

握手	方向	报文内容	发送后状态
第一次	客户端 → 服务器	SYN=1, seq=x（x为随机数）	客户端：SYN-SENT
第二次	服务器 → 客户端	SYN=1, ACK=1, seq=y（y为随机数），ack=x+1	服务器：SYN-RCVD
第三次	客户端 → 服务器	ACK=1, seq=x+1, ack=y+1（可携带数据）	客户端：ESTABLISHED 服务器收到后：ESTABLISHED

sequenceDiagram participant C as 客户端 participant S as 服务器 Note over C: CLOSED Note over S: LISTEN C->>S: SYN (seq = x) Note over C: SYN-SENT S->>C: SYN-ACK (seq=y, ack=x+1) Note over S: SYN-RCVD C->>S: ACK (ack = y+1) Note over C: ESTABLISHED Note over S: ESTABLISHED

4. 关键字段与标志位

• SYN：同步序列号，在握手阶段用于建立连接，消耗一个序列号。
• ACK：确认号有效，除第一次握手外，后续报文均需设置。
• seq（序列号）：本报文段数据的第一个字节的序号。初始值（ISN）为随机数。
• ack（确认号）：期望收到对方下一个报文段数据的第一个字节的序号，且表示之前序号的数据已成功接收。

5. 状态转换（简化）

• 客户端：CLOSED → SYN-SENT → ESTABLISHED
• 服务器：CLOSED → LISTEN → SYN-RCVD → ESTABLISHED

6. 为什么必须是三次握手？

两次握手的问题

如果只有两次握手，服务器在收到客户端的SYN后即进入ESTABLISHED，但此时客户端可能并未准备好（例如客户端发送的SYN因网络延迟重传，后来才到达服务器），导致服务器资源被浪费（建立无效连接）。

经典场景：客户端发送的第一个SYN在网络中滞留，超时重传后建立连接并关闭。滞留的SYN随后到达服务器，服务器误以为是新连接，回复SYN-ACK并进入ESTABLISHED，但客户端已关闭，导致服务器一直等待数据（半开连接），浪费资源。

四次握手的不足

四次握手理论上可行，但效率低。将第二次握手的SYN和ACK合并为一个报文，可以减少一次交互，提高建立速度。因此三次握手是最优解。

7. 常见问题与扩展

Q1：握手过程中丢包怎么办？

• 第一次握手丢包：客户端超时重传SYN（重传次数可配置，通常为5次左右）。
• 第二次握手丢包：客户端收不到SYN-ACK，会超时重传SYN；服务器已发送SYN-ACK，等待第三次ACK，若超时未收到，服务器重传SYN-ACK（次数有限）。
• 第三次握手丢包：服务器收不到ACK，重传SYN-ACK；客户端收到重复的SYN-ACK后，会重新发送ACK（或忽略，视实现而定）。若重传多次仍无响应，服务器释放半连接资源。

Q2：初始序列号（ISN）为什么是随机的？

• 防止旧连接的数据包被误认为是新连接的包（避免“历史连接干扰”）。
• 提高安全性，避免攻击者猜测序列号进行会话劫持。

Q3：三次握手可以携带数据吗？

• 前两次握手（SYN报文）不能携带数据，因为此时连接尚未建立，双方未准备好接收数据。
• 第三次握手（ACK报文）可以携带数据。部分实现允许在第三次握手中捎带数据，以减少一次RTT（往返时间）。

Q4：SYN Flood攻击是什么？

攻击者伪造大量源IP，向服务器发送SYN，但不完成第三次握手，导致服务器维护大量半连接（占用内存），耗尽资源。防御手段包括：

• SYN Cookie：服务器收到SYN后，不立即分配资源，而是根据连接信息计算一个Cookie作为初始序列号回复，若收到合法的ACK，再分配资源。
• 增大半连接队列、缩短超时时间、使用防火墙过滤等。

Q5：同时打开（Simultaneous Open）如何处理？

双方同时向对方发送SYN，此时会进行四次交互（两个SYN和两个ACK），最终建立连接。这种情况较少见，但TCP规范支持。

8. 实际抓包示例

下面是用Wireshark捕获的一次HTTP访问过程中的TCP三次握手（客户端访问服务器80端口）。注意：Wireshark默认显示相对序列号（从0开始），实际原始序列号是随机值。

逐行解析

1. 第1行（第一次握手）：客户端（端口53354）向服务器（端口80）发送SYN报文。

   • Seq=0：相对序列号为0，表示这是本次连接的起始序列号（原始ISN为某个随机值）。

   • Win=65535：通知接收窗口大小为65535字节。

   • MSS=1460：通告本端支持的最大报文段长度为1460字节。

   • WS=256：窗口缩放因子为256，用于扩大窗口（实际窗口大小 = 窗口值 × 2^WS）。

   • SACK_PERM：支持选择性确认（SACK）选项。

2. 第2行（第二次握手）：服务器回复SYN-ACK报文。

   • Seq=1：服务器的相对序列号为1（原始序列号随机）。

   • Ack=1：确认号是1，表示期望收到客户端下一个序列号为1的字节（即确认了客户端的SYN）。

   • Win=64240，MSS=1460，SACK_PERM，WS=128：服务器通告自己的参数。

3. 第3行（第三次握手）：客户端发送ACK报文。

   • Seq=1：客户端的下一个序列号（此时尚未发送数据）。

   • Ack=1：确认了服务器的SYN（期望收到服务器序列号为1的字节）。

   • Win=65280：更新窗口大小。

   • 此时连接建立，双方进入ESTABLISHED状态。

4. 第4行：握手完成后，客户端立即发送HTTP GET请求（数据包长度为542字节），开始传输数据。