TCP连接的关键之谜：揭秘三次握手的必要性
TCP 连接建立
当我们浏览网页、发送电子邮件或者进行在线游戏时，我们常常不会想到背后复杂的网络连接过程。然而，正是这些看似不起眼的步骤，确保了我们与服务器之间的稳定通信。其中最重要的步骤之一就是TCP连接的建立，而其中的核心环节就是三次握手。
本文将详细探讨三次握手的原理、过程以及其重要性。我们将一步步解析为什么需要三次握手，它如何保证连接的稳定性和可靠性，以及它对于数据传输的重要作用。通过深入理解三次握手，我们将更好地理解网络通信的底层机制，并对TCP连接的可靠性有更清晰的认识。
TCP 三次握手过程和状态变迁
TCP是一种面向连接的传输层协议，它在进行数据传输之前需要先建立连接。这个连接的建立过程是通过三次握手来完成的。
我们根据这幅图详细讲解，每次连接中所发送的TCP报文。
在最开始，客户端和服务端都处于CLOSED状态。首先，服务端主动监听某个端口，处于LISTEN状态，即服务器必须处于启动状态。接下来，客户端准备开始访问网页，需要与服务器建立连接。第一次连接报文的格式如下：
客户端在发起连接时，会随机生成一个初始序号（client_isn），并将其放置在TCP首部的"序号"字段中。同时，客户端将SYN标志位置为1，表示发出的报文是SYN报文。客户端通过发送第一个SYN报文给服务端，表明它希望与服务端建立连接。该报文不包含应用层数据（也就是发送的数据）。此时，客户端的状态被标记为SYN-SENT。
当服务端收到客户端的SYN报文时，首先服务端会随机初始化自己的序号（server_isn），然后将该序号填入TCP首部的"序号"字段中。接着，服务端将"确认应答号"字段填入client_isn + 1，并将SYN和ACK标志位都设置为1。最后，服务端将该报文发送给客户端，该报文不包含应用层数据（此时服务器也没数据可发）。此时，服务端处于SYN-RCVD状态。
一旦客户端收到服务端的报文，它需要做以下优化来回应最后一个应答报文：首先，客户端将该应答报文的TCP首部的ACK标志位设置为1；其次，客户端在"确认应答号"字段中填入server_isn + 1的值；最后，客户端将报文发送给服务端。此次报文可以携带客户端到服务器的数据。完成这些操作后，客户端将进入ESTABLISHED状态。
一旦服务器收到客户端的应答报文，它也会切换到 ESTABLISHED 状态。
从上面的过程可以发现，在进行三次握手时，第三次握手是可以携带数据的，而前两次握手则不可以。这也是面试中经常被问到的问题。一旦完成三次握手，双方都会进入ESTABLISHED状态，表示连接已经成功建立，此时客户端和服务端就可以开始相互发送数据了。
为什么是三次握手？不是两次、四次？
相信大家通常回答的是：“因为三次握手才能保证双方具有接收和发送的能力。”这个回答没错，但它只是表面上的原因，并没有提出主要的原因。下面我将从三个方面分析三次握手的原因，加深我们对这个问题的理解。
- 三次握手可以有效地避免历史重复连接的初始化（主要原因）
- 三次握手可以保证双方都收到了可靠的初始序列号。
- 三次握手可以避免资源浪费。
原因一：避免历史重复连接
简单来说，三次握手的主要原因是为了避免旧的重复连接初始化造成混乱。在复杂的网络环境中，数据包的传输并不总是按照规定时间发送到达目标主机，可能会因为网络拥堵等原因导致旧的数据包先到达目标主机。为了避免这种情况，TCP使用三次握手的方式来建立连接。
当客户端连续发送多个SYN建立连接的报文时，在网络拥堵等情况下，可能会出现以下情况：
- 旧的SYN报文比最新的SYN报文先到达服务端。
- 服务端收到旧的SYN报文后会回复一个SYN + ACK报文给客户端。
- 客户端收到SYN + ACK报文后，根据自身的上下文判断这是一个历史连接（序列号过期或超时），然后发送RST报文给服务端，表示中止这次连接。
如果是两次握手的连接方式，就无法判断当前连接是否是历史连接。而三次握手可以在客户端准备发送第三次报文时，根据上下文判断当前连接是否是历史连接：
- 如果是历史连接（序列号过期或超时），则第三次握手发送的报文是RST报文，以中止历史连接。
- 如果不是历史连接，则第三次发送的报文是ACK报文，通信双方成功建立连接。
因此，TCP使用三次握手的主要原因是为了防止历史连接初始化了连接。
原因二：同步双方初始序列号
TCP协议的通信双方都必须维护一个序列号，这是确保可靠传输的关键因素。序列号在TCP连接中扮演了重要角色，它具有以下作用：
● 接收方可以消除重复的数据，确保数据的准确性。
● 接收方可以按照序列号的顺序接收数据包，保证数据的完整性。
● 序列号可以标识已经被对方接收的数据包，实现可靠的数据传输。
因此，在建立TCP连接时，客户端发送带有初始序列号的SYN报文，并需要服务器回复一个ACK报文，表示成功接收了客户端的SYN报文。然后，服务器发送带有初始序列号的SYN报文给客户端，并等待客户端的应答，这样一来一回，才能确保双方的初始序列号能够可靠地同步。
虽然四次握手也可以实现可靠地同步双方的初始序列号，但由于第二步和第三步可以合并为一步，所以最终演变成了三次握手。而两次握手只能保证一方的初始序列号被对方成功接收，无法保证双方的初始序列号都能被确认接收。因此，三次握手是为了确保TCP连接的稳定性和可靠性而采取的最佳选择。
原因三：避免资源浪费
如果只有"两次握手"的话，当客户端的SYN请求在网络中被阻塞时，客户端无法接收到服务器发送的ACK报文，因此会重新发送SYN。然而，由于没有第三次握手，服务器无法确定客户端是否收到了建立连接的ACK确认信号。因此，服务器只能在收到每个SYN请求后主动建立一个连接。这将导致以下情况的发生：
资源浪费：如果客户端的SYN请求被阻塞，导致重复发送多个SYN报文，服务器在收到请求后将建立多个冗余的无效连接。这将导致服务器资源的不必要浪费。
消息滞留：由于缺乏第三次握手，服务器无法知道客户端是否正确接收到了建立连接的ACK确认信号。因此，如果消息在网络中出现滞留，客户端将一直重复发送SYN请求，导致服务器不断建立新的连接。这将增加网络拥塞和延迟，并对整个网络性能产生负面影响。
因此，为了确保网络连接的稳定性和可靠性，TCP使用了三次握手来建立连接，以避免以上问题的发生。
总结
TCP连接建立是通过三次握手来完成的。在三次握手过程中，客户端首先发送一个带有SYN标志的报文给服务器，表示希望建立连接。服务器接收到客户端的请求后，回复一个带有SYN和ACK标志的报文给客户端，表示接受连接请求，并发送自己的初始序列号。最后，客户端再回复一个带有ACK标志的报文给服务器，表示连接建立成功。这样，双方就进入了ESTABLISHED状态，可以开始相互发送数据。
总的来说，TCP连接建立的三次握手过程是为了确保连接的稳定性和可靠性，避免历史连接的混乱和资源浪费，同时保证双方都具备接收和发送数据的能力。