TCP的三次握⼿中为什么是三次?为什么不是两 次、四次?

TCP 三次握手(Three-way Handshake)是为了在不可靠的网络环境中建立可靠的、双向的连接。之所以选择三次握手,而不是两次或四次,是为了在效率和可靠性之间取得平衡。

三次握手的过程:

  1. SYN (Client -> Server):

    • 客户端选择一个初始序列号(client_isn,通常是随机生成的)。
    • 客户端发送一个 SYN 报文段(SYN=1,seq=client_isn)到服务器。
    • 客户端进入 SYN_SENT 状态。
  2. SYN + ACK (Server -> Client):

    • 服务器收到客户端的 SYN 报文段。
    • 服务器选择自己的初始序列号(server_isn,通常是随机生成的)。
    • 服务器发送一个 SYN+ACK 报文段(SYN=1, ACK=1, seq=server_isn, ack=client_isn+1)到客户端。
      • SYN=1 表示这是一个 SYN 报文段。
      • ACK=1 表示这是一个 ACK 报文段。
      • seq=server_isn 表示服务器的初始序列号。
      • ack=client_isn+1 表示服务器期望接收的下一个序列号(即客户端的初始序列号加 1)。
    • 服务器进入 SYN_RCVD 状态。
  3. ACK (Client -> Server):

    • 客户端收到服务器的 SYN+ACK 报文段。
    • 客户端发送一个 ACK 报文段(ACK=1, seq=client_isn+1, ack=server_isn+1)到服务器。
      • ACK=1 表示这是一个 ACK 报文段。
      • seq=client_isn+1 表示客户端的下一个序列号。
      • ack=server_isn+1 表示客户端期望接收的下一个序列号(即服务器的初始序列号加 1)。
    • 客户端进入 ESTABLISHED 状态。
    • 服务器收到客户端的 ACK 报文段后,也进入 ESTABLISHED 状态。

为什么不是两次握手?

两次握手无法防止历史连接的建立,可能导致错误。

  • 场景:

    1. 客户端发送 SYN 报文段(请求建立连接),但该报文段在网络中滞留了。
    2. 客户端超时重传 SYN 报文段,并成功与服务器建立了连接,完成了数据传输,然后关闭了连接。
    3. 滞留的 SYN 报文段最终到达了服务器。
    4. 服务器收到 SYN 报文段后,回复 SYN+ACK 报文段(如果只有两次握手,此时服务器认为连接已建立)。
    5. 客户端收到 SYN+ACK 报文段,但发现这是一个过期的连接请求,因此会忽略它(或者发送 RST 报文段重置连接)。
    6. 服务器不知道客户端已经丢弃了这个连接请求,会一直等待客户端发送数据,导致资源浪费。
  • 问题: 两次握手无法让客户端确认服务器是否收到了它的 SYN 报文段,也无法让服务器知道客户端是否已经放弃了连接请求。

三次握手如何解决两次握手的问题:

  • 在第三次握手中,客户端发送 ACK 报文段,确认收到了服务器的 SYN+ACK 报文段,并携带了正确的序列号。
  • 服务器收到客户端的 ACK 报文段后,才能确认连接已建立。
  • 如果服务器没有收到客户端的 ACK 报文段(例如,因为客户端已经放弃了连接请求),服务器会超时重传 SYN+ACK 报文段,或者最终放弃连接。

为什么不是四次握手?

理论上,四次握手也可以建立可靠的连接,但三次握手已经足够了,四次握手会增加不必要的开销。

  • 四次握手的一种可能形式:

    1. Client -> Server: SYN
    2. Server -> Client: ACK (确认收到 SYN)
    3. Server -> Client: SYN
    4. Client -> Server: ACK (确认收到 SYN)
  • 问题: 第二次和第三次握手可以合并为一次(SYN+ACK),因为它们都是由服务器发送的,并且都与服务器的初始序列号有关。

三次握手的本质:

  • 同步序列号: 客户端和服务器需要交换彼此的初始序列号 (ISN),以便进行可靠的数据传输。
  • 确认收到: 双方都需要确认收到了对方的 SYN 报文段。
  • 防止历史连接: 防止过期的连接请求被错误地建立。

总结:

  • 两次握手无法防止历史连接的建立,可能导致错误。
  • 三次握手是建立可靠连接所需的最小次数,它既能同步序列号,又能确认双方的接收能力,还能防止历史连接。
  • 四次握手可以建立可靠连接,但没有必要,会增加开销。

三次握手是在可靠性和效率之间取得平衡的结果。它确保了连接的可靠建立,同时又避免了不必要的开销。

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