图文均来自参考资料

1. TCP 连接建立(3次握手)

TCP 是面向连接的协议，所以使用 TCP 前必须先建立连接，而建立连接是通过三次握手而进行的。

• 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
• 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。

从上面的过程可以发现第三次握手是可以携带数据的，前两次握手是不可以携带数据的，这也是面试常问的题。

一旦完成三次握手，双方都处于 ESTABLISHED 状态，此致连接就已建立完成，客户端和服务端就可以相互发送数据了。

2. 为什么是三次握手？不是两次、四次？

因为三次握手才可以初始化Socket、序列号和窗口大小并建立 TCP 连接。

在前面我们知道了什么是 TCP 连接：

• 用于保证可靠性和流量控制维护的某些状态信息，这些信息的组合，包括Socket、序列号和窗口大小称为连接。

接下来以三个方面分析三次握手的原因：

• 三次握手才可以阻止历史重复连接的初始化（主要原因）
• 三次握手才可以同步双方的初始序列号
• 三次握手才可以避免资源浪费

2.1. 原因一：避免历史连接

RFC 793

The principle reason for the three-way handshake is to prevent old duplicate connection initiations from causing confusion.*

简单来说，三次握手的首要原因是为了防止旧的重复连接初始化造成混乱。

网络环境是错综复杂的，往往并不是如我们期望的一样，先发送的数据包，就先到达目标主机，可能会由于网络拥堵等乱七八糟的原因，会使得旧的数据包，先到达目标主机。

想象一下这个场景，如果通信双方的通信次数只有两次，那么发送方一旦发出建立连接的请求之后它就没有办法撤回这一次请求，如果在网络状况复杂或者较差的网络中，发送方连续发送多次建立连接的请求，如果 TCP 建立连接只能通信两次，那么接收方只能选择接受或者拒绝发送方发起的请求，它并不清楚这一次请求是不是由于网络拥堵而早早过期的连接。

所以，TCP 选择使用三次握手来建立连接并在连接引入了 RST 这一控制消息，接收方当收到请求时会将发送方发来的 SEQ+1 发送回接收方，这时由发送方来判断当前连接是否是历史连接：

• 如果当前连接是历史连接，即 SEQ 过期或者超时，那么发送方就会直接发送 RST 控制消息中止这一次连接；
• 如果当前连接不是历史连接，那么发送方就会发送 ACK 控制消息，通信双方就会成功建立连接；

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。使用三次握手和 RST 控制消息将是否建立连接的最终控制权交给了发送方，因为只有发送方有足够的上下文来判断当前连接是否是错误的或者过期的。

2.2. 原因二：同步双方初始序列号

另一个使用三次握手的重要的原因就是通信双方都需要获得一个用于发送信息的初始化序列号，作为一个可靠的传输层协议，TCP 需要在不稳定的网络环境中构建一个可靠的传输层，网络的不确定性可能会导致数据包的缺失和顺序颠倒等问题，常见的问题可能包括：

• 数据包被发送方多次发送造成数据的重复；
• 数据包在传输的过程中被路由或者其他节点丢失；
• 数据包到达接收方可能无法按照发送顺序；

为了解决上述这些可能存在的问题，TCP 协议要求发送方在数据包中加入『序列号』字段，有了数据包对应的序列号，我们就可以：

• 接收方可以通过序列号对重复的数据包进行去重；
• 发送方会在对应数据包未被 ACK 时进行重复发送；
• 接收方可以根据数据包的序列号对它们进行重新排序；

序列号在 TCP 连接中有着非常重要的作用，初始序列号作为 TCP 连接的一部分也需要在三次握手期间进行初始化，由于 TCP 连接通信的双方都需要获得初始序列号，所以它们其实需要向对方发送 SYN 控制消息并携带自己期望的初始化序列号 SEQ，对方在收到 SYN 消息之后会通过 ACK 控制消息以及 SEQ+1 来进行确认。

如上图所示，通信双方分别向对方发送 SYN 和 ACK 控制消息，等待通信双方都获取到了自己期望的初始化序列号之后就可以开始通信了，由于 TCP 消息头的设计，我们可以将中间的两次通信合成一个，服务端可以向客户端同时发送 ACK 和 SYN 控制消息，这也就帮助我们将四次通信减少至三次。

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。

除此之外，网络作为一个分布式的系统，其中并不存在一个用于计数的全局时钟，而 TCP 可以通过不同的机制来初始化序列号，作为 TCP 连接的接收方我们无法判断对方传来的初始化序列号是否过期，所以我们需要交由对方来判断，TCP 连接的发起方可以通过保存发出的序列号判断连接是否过期，如果让接收方来保存并判断序列号却是不现实的，这也再一次强化了我们在上一节中提出的观点 —— 避免历史错连接的初始化。

2.3. 原因三：避免资源浪费

如果只有两次握手，当客户端的 SYN 请求连接在网络中阻塞，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，服务器不清楚客户端是否收到了自己发送的建立连接的 ACK 确认信号，所以每收到一个 SYN 就只能先主动建立一个连接，这会造成什么情况呢？

如果客户端的 SYN 阻塞了，重复发送多次 SYN 报文，那么服务器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，服务器重复接受无用的连接请求 SYN 报文，而造成重复分配资源。

2.4. 小结

TCP 建立连接时，通过三次握手能防止历史连接的建立，能减少双方不必要的资源开销，能帮助双方同步初始化序列号。序列号能够保证数据包不重复、不丢弃和按序传输。

不使用两次握手和四次握手的原因：

• 两次握手：无法防止历史连接的建立，会造成双方资源的浪费，也无法可靠的同步双方序列号；
• 四次握手：三次握手就已经理论上最少可靠连接建立，所以不需要使用更多的通信次数。

3. 初始序列号ISN

为什么客户端和服务端的初始序列号 ISN 是不相同的？

因为网络中的报文会延迟、会复制重发、也有可能丢失，这样会造成的不同连接之间产生互相影响，所以为了避免互相影响，客户端和服务端的初始序列号是随机且不同的。

初始序列号 ISN 是如何随机产生的？

起始 ISN 是基于时钟的，每 4 毫秒 + 1，转一圈要 4.55 个小时。

RFC1948 中提出了一个较好的初始化序列号 ISN 随机生成算法。

*ISN = M + F (localhost, localport, remotehost, remoteport)*

• M 是一个计时器，这个计时器每隔 4 毫秒加 1。
• F 是一个 Hash 算法，根据源 IP、目的 IP、源端口、目的端口生成一个随机数值。要保证 Hash 算法不能被外部轻易推算得出，用 MD5 算法是一个比较好的选择。

4. 参考资料

https://mp.weixin.qq.com/s/tH8RFmjrveOmgLvk9hmrkw

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAxMTkwODIyNA==&mid=2247492473&idx=1&sn=37b264a13cb8df0b6daa353e4d5dba32