TCP 的三次握手

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1. TCP 三次握手（Three-Way Handshake）

目的：三次握手的目的是为了在客户端和服务端之间建立可靠的 TCP 连接，确保双方能够同步，并且为数据传输做好准备。

三次握手的过程：

1. 第一次握手：SYN

   • 客户端 → 服务端：客户端发送一个 SYN（同步）包，表示请求建立连接，并告知服务端客户端的初始序列号（seq）。
   • 目的：客户端通知服务端自己希望建立连接。

2. 第二次握手：SYN-ACK

   • 服务端 → 客户端：服务端收到客户端的 SYN 包后，发送一个 SYN-ACK 包。该包包括服务端的初始序列号，并且确认客户端的 SYN 包（通过确认号 ack）。
   • 目的：服务端响应客户端的连接请求，并将自己的序列号同步给客户端。

3. 第三次握手：ACK

   • 客户端 → 服务端：客户端收到服务端的 SYN-ACK 包后，发送一个 ACK 包确认响应，确认号是服务端的序列号 + 1。
   • 目的：客户端确认服务端的连接响应，最终建立起双向的可靠连接。

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2. TCP 两次握手的潜在问题

如果使用 两次握手（即客户端发送 SYN 包，服务端发送 SYN-ACK 包后连接立即建立），会导致以下问题：

1) 缺少客户端确认：

• 在两次握手中，客户端没有进行最后的确认。虽然服务端已发送了 SYN-ACK 包，表明同意连接，但客户端没有向服务端发送确认信息，导致服务端无法确定客户端是否真的准备好建立连接。
• 客户端可能已经认为连接已建立，但服务端却没有得到最终确认，因此可能还会继续等待客户端的确认包。

2) 历史连接（半开连接）问题：

• 假设在某些情况下，服务端已发送 SYN-ACK 包，并等待客户端的确认。然而，客户端由于网络问题、崩溃或其他原因没有及时发送 ACK 确认包，导致服务端仍然保持“等待确认”状态，无法知道客户端是否成功接收并准备建立连接。
• 此时，服务端仍然认为连接正在进行中，形成了 历史连接 或 半开连接（Half-open Connection）。这种连接没有完全建立，且服务端可能会将其错误地作为有效连接处理，浪费资源。

3) 误连接（连接干扰）：

• 网络中可能会存在延迟、丢包等现象，导致一个已经关闭的连接请求（历史连接）再次到达服务端。
• 如果没有三次握手的确认机制，服务端可能会误认为这是一个新的连接请求，从而错误地处理已经关闭的连接，导致连接状态不一致。

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3. 三次握手的解决方案与优势

1) 同步序列号与状态确认：

• 三次握手的第三次确认步骤（客户端发送 ACK 包）确保了双方连接状态的同步。客户端通过发送确认包来确认服务端的响应，服务端也确认客户端准备好进行数据传输。
• 这个步骤避免了服务端错误地认为连接已经建立，且确保双方的初始序列号同步。

2) 防止历史连接与半开连接问题：

• 如果客户端未能成功接收到服务端的 SYN-ACK 响应（例如由于客户端崩溃或网络断开），服务端会保持等待状态，直到超时并关闭连接。这种机制避免了历史连接的重现。
• 半开连接问题也得以避免，只有当客户端和服务端都完成了确认后，才认为连接完全建立，避免了资源的浪费。

3) 更强的可靠性：

• 三次握手确保了连接建立过程中每一步都得到确认，避免了中间丢失消息的风险。这样能保证数据传输的可靠性。
• 由于第三次握手的确认，服务端在建立连接后就能确定客户端准备好接收数据，从而避免误操作或不必要的等待。

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4. 两次握手与三次握手的比较

特性	两次握手	三次握手
握手次数	两次	三次
连接建立是否可靠	不完全可靠，可能产生“半开连接”或历史连接问题	完全可靠，确保双方同步
客户端与服务端状态确认	客户端未明确确认服务端响应	客户端明确确认服务端响应，确保连接完整
连接干扰	可能出现误连接（历史连接）	避免了历史连接问题
资源浪费	可能导致服务端浪费资源，等待无效连接	资源得到了有效利用，避免等待无效连接
连接是否能完全建立	连接可能没有完全建立，客户端和服务端可能对连接状态不一致	连接完全建立，双方同步准备好进行数据传输

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5. 结论

• 两次握手 虽然在理论上看似可以简化连接建立过程，但会引发 历史连接、半开连接 等严重问题，导致连接状态不一致，浪费系统资源。
• 三次握手 通过增加第三次确认包，确保连接完全建立并且双方对连接状态达成一致，从而提供了 可靠性、资源有效使用、避免半开连接 等优点，是保证 TCP 连接可靠性的关键机制。