TCP 连接管理机制(一)——TCP三次握手详解 + 为什么要有三次握手

TCP是面向连接的协议，在通信之前需要先建立连接，其本质就是打开一个socket文件，这个文件有自己的缓冲区，如果要发送数据，上层把数据拷贝到发送缓冲区；如果是接收数据，OS直接把来自网络的数据拷贝到接收缓冲区里。

那么三次握手期间，Server和Client都做了哪些工作？以及为什么要有三次？不可以是一次？两次？四次？

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目录

一、握手之前的准备工作

1、Server端

2、Client端

二、TCP三次握手

1、第一次握手

2、第二次握手

3、第三次握手

三、为什么需要三次握手？

1、原因一：三次是确认对方主机状态及收发能力的最小次数

2、原因二：降低被攻击的风险的最小次数

(1) 如果只有一次握手

(2) 如果只有两次握手

(3)如果是三次握手

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一、握手之前的准备工作

三次握手开始的时刻就是，Client端调用connect函数连接 Server端，此时需要有个前提条件就是Server端的套接字要处在监听状态。

1、Server端

第一步，调用Socket函数创建通信套接字。其本质就是打开用于通信的socket文件；

第二步，绑定服务器IP地址和端口号。其实就是将打开的socket文件与存放地址信息的sockaddr_in 结构体绑定，方便对方能够找到这个文件

第三步，调用listen函数将套接字设为监听状态。可以理解为设置文件的读写权限，即允许other读写；

2、Client端

站在客户端的角度其实是认为服务端是时刻准备好的，不然也不会主动发起连接。所以Client端只要调用Socket函数创建通信套接字，即打开用于通信的socket文件，随后就可以调用connect函数连接服务端了。

注意：作为主动连接别人的一方，必须要知道你要连谁，即对方的IP地址和端口号；但是你自己无需主动绑定IP地址和监听，因为客户端一般不会被其他主机连接。就好比你是送快递的，你要知道客户的住址；但是客户没必要知道你的住址。

二、TCP三次握手

1、第一次握手

客户端主动调用 connect函数的时候，就是发起第一次握手，表明Client端请求和Server端建立连接。发送的报文携带SYN标志位。

客户端状态 ： SYN_SENT（连接请求已发送）

2、第二次握手

Server端收到Client 端的请求以后，理解了客户端的意图，同意建立连接（Client ==》Server方向上的），至此一个方向上的连接就建立好了。Server也发送SYN请求顺带应答，希望建立连接（Server ==》Client方向上的）。

服务端状态：SYN_REVD（接收到连接请求）

 

注意：服务端发送ACK之后才会有状态变化，在发送之前需要判断对方是否为恶意连接，如果是恶意连接，服务端不会接受连接的。这也是在第一次握手之后服务端没有直接建立连接的原因之一。详细原因在“为什么需要三次握手”说明。

3、第三次握手

Client端收到Server端的确认应答，并给Server端发送ACK同意建立连接（Server ==》Client方向上的）。给Server端发送ACK以后，客户端就认为连接已经建立成功了。

客户端状态：ESTABLISHED（建立连接）

Server端如果收到Client的应答，就说明Client 也同意建立连接，至此 Server ==》Client方向上的连接也就建立好了。服务端也认为连接建立成功了；如果迟迟没有收到，Server端认为客户端不希望与自己建立 Server ==》Client方向上的连接，此时会连接失败。

服务端状态：ESTABLISHED（建立连接）/ CLOSED（连接失败）

 

注意：从这个角度上看，TCP建立连接并非百分之百成功，因为最后一次ACK是没有应答的，Client也没法确认Server是否收到了ACK，即便没收到，由于最后一次ACK没有应答，也无法触发超时重传机制。

4、关于第三次握手

第三次握手需要多说一句，服务端收到ACK以后，此时服务端的状态变为 ESTABLISHED，但并不代表上层会立马会调用accept并返回一个文件描述符。传输层收到连接，然后接受是传输层的事；上层此时可能忙于处理其他事情，没时间调用accept。

因此，实际情况是，服务端收到了ACK，服务端状态变为ESTABLISHED，此时会进入一个名为“全连接”的队列，专门存放连接状态为ESTABLISHED的连接，等上层调用accept函数的时候，就会从全连接队列中取走连接，并返回。

三、为什么需要三次握手？

那么问题来了，为什么需要三次握手呢？为什么不可以是一次？两次？四次？五次？原因大致有两个，你可以选择你能接受的理由。我个人比较喜欢第二个理由。

1、原因一：三次是确认对方主机状态及收发能力的最小次数

Client给Server发，如果能收到Server的ACK，说明Server的主机状态正常，Server的接受能力也正常；

Server给Client发，如果能收到Client的ACK，说明Client的主机状态正常，Client的接受能力也正常。

相反，如果有任意一方即便是经过超时重传也没收到ACK，说明发送ACK的一方可能主机异常或者不具备接受能力。这说明为了确认双方的状态至少需要三次握手，握手次数太多只会增加连接成本。

2、原因二：降低被攻击的风险的最小次数

连接建立成功的时候，服务端需要创建一个新的文件结构体来维护当前连接，这个文件结构体是需要占用服务端资源的！

(1) 如果只有一次握手

服务端可能会收到几万个主机的连接请求，每台主机通过for循环发送几十个连接请求，因为只握手一次，服务端直接照单全收，每次都创建一个新的文件结构体，这样的话，服务端的资源很快就会被耗尽。一个新手小白就可以搞垮一台服务器，很显然一次握手不行。

(2) 如果只有两次握手

只有两次握手也是一样，服务端收到一次连接，只要服务端发出一次ACK，就说明连接就建立起来了。如果服务端接收到一百万次连接，逐一发送ACK后，服务器依然要创建对应的结构体，此时依然要消耗服务器的资源。

(3)如果是三次握手

如果一个客户端一次发送大量的SYN，服务端当然会回复相应的ACK+SYN，但是此时服务端不会创建新的结构体，因为连接并没有建立成功。要想成功建立连接，客户端需要发送大量的ACK，一旦客户端发送一个ACK，客户端这边认为连接建立成功，就需要消耗大量资源来维护这个连接。

万一客户端就头铁呢？服务端也不会这么傻，服务器如果发现上百条连接都是来自同一个IP，那么在应用层层面可以把这个IP地址加入黑名单，下次连接的时候，可以拒绝该主机的连接。这样的话，如果是小白想通过某种工具一次发大量SYN的话，第一次可能没问题，第二次就直接被拉黑了。

补充：剩下的就是一些黑客会给其他用户的主机注入木马病毒，劫持其他用户的主机定时给服务器发送连接，有可能会有上百台被劫持的主机同时在发。这种情况就无法应对，因为每台主机是在正常发连接请求，服务端没法拒绝。

如有错误，希望能及时指正，谢谢。