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什么是TCP

TCP头格式组成

三次握手

第一次握手

第二次握手

第三次握手

三次握手的好处

为什么需要三次握手？

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什么是TCP

传输控制协议(TCP)是Internet一个重要的传输层协议。TCP提供面向连接、可靠、有序、字节流传输服务。

• 面向连接： 应用程序在使用TCP之前,必须先建立TCP连接，而且是一对一的连接。
• 可靠的：无论网络链路中出现了怎样的变化，TCP都可以保证一个豹纹一定能到达接收端。
• 有序：TCP报文是有序的，当前一个TCP报文没有接收到的时候，即使接收到了后面的TCP报文，也不能人给应用层去处理。
• 有序的字节流传输：用户消息通过TCP协议传输时，一条消息可能会被操作系统分组成多个TCP报文。

TCP是处于传输层的一个协议。

TCP头格式组成

• 源端口号和目的端口号：代表连接发起方和连接接收方
• 序号：在建立连接时，由计算机生产的随机数作为初始值，通过SYN包传给接收端主机，每发送一次数据，就累加一次该数据字节数的大小。用来解决网络包乱序问题。
• 确认序号：指下一次期望收到的数据的序号，发送端收到这个确认应答以后，可以认为在这个序号以前的数据，都已经被正常接收。 用来解决网络丢包的问题
• 标志位，如上图，一共6个
  • URG
  • ACK：该位为 1 时，「确认应答」的字段变为有效，TCP 规定除了最初建立连接时的 SYN 包之外该位必须设置为 1
  • PSH
  • RST：该位为 1 时，表示 TCP 连接中出现异常必须强制断开连接。
  • SYN：该位为 1 时，表示希望建立连接，并在其「序列号」的字段进行序列号初始值的设定。
  • FIN：该位为 1 时，表示今后不会再有数据发送，希望断开连接。当通信结束希望断开连接时，通信双方的主机之间就可以相互交换 FIN 位为 1 的 TCP 段。
• 数据：连接需要发送的内容

三次握手

握手之前主动打开连接的客户端结束CLOSED阶段，被动打开的服务器端也结束CLOSED阶段，并进入LISTEN阶段。

随后开始“三次握手”：

第一次握手

1. 客户端发起连接请求

• 客户端想要与服务器建立连接时，会随机选择一个初始序列号（ISN, Initial Sequence Number）
• 客户端通过发送一个SYN（Synchronize Sequence Numbers）标志位的TCP报文段（Segment）到服务器。 这个报文包含了客户端初始的ISN，也叫client_isn
• 此时客户端的状态转变为SYN_SENT，表示发送请求，正在等待服务器的确认

第二次握手

1. 服务器回应客户端请求，并同步序列号

• 服务器收到客户端的SYN报文后，确认收到了连接请求
• 服务器会为这个新的连接分配资源，并为自己也初始化一个序列号ISN，也叫server_isn 
• 服务器回应客户端，它会返回一个SYN的报文段，并且把ACK（Acknowledgment）标志位也置位，同时在ACK字段填入client_isn + 1作为对客户端SYN的确认
• 服务器发送的SYN报文中，也包含了自己的ISN（server_isn）
• 此时服务器状态转变为SYN_RECEIVED，表示已经接受了客户端的请求

第三次握手

1. 客户端确认连接建立

•  客户端接收到服务器发来的SYN+ACK报文段后，验证ACK字段中的序列号是否正确（即client_isn + 1）
• 客户端会再次发送一个ACK报文段给服务器，其ACK字段填写server_isn + 1，表示对服务器SYN的确认。
• 此时客户端状态转变为ESTABLISHED。
• 当服务器收到客户端的ACK报文段后，确认连接建立成功，此时双方都可以开始发送数据。(只有到第三次握手，才能携带数据) 
• 此时服务器的状态也转变为ESTABLISHED。

三次握手的好处

通过这三次握手，双方不仅完成了对彼此接收和发送能力的确认，还同步了双方的初始序列号，这对于后续的数据传输来说至关重要，因为它可以确保数据的有序到达，并能检测到丢失或重复的数据包。同时，三次握手还能防止旧的连接请求被服务器误认为是新的连接请求，提高了连接的可靠性。

为什么需要三次握手？

1. 确认双方意愿与接收能力：

• 第一次握手：客户端发送一个SYN（同步序列编号）包到服务器，请求建立连接。这个包中包含了客户端选择的一个随机序列号A。
• 第二次握手：服务器收到SYN后，回复一个SYN+ACK（同步+确认）包，表示同意建立连接。该包中包含确认号（确认收到客户端的序列号A+1）以及服务器自己的随机序列号B。
• 第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK后，再发送一个ACK（确认）包，确认号为服务器的序列号B+1。至此，客户端和服务器都确认了对方的接收能力和建立连接的意愿。

2. 防止旧的连接请求报文段被服务端接收并建立连接：

假设采用两次握手，客户端发送SYN请求，服务器回应ACK确认。此时，如果客户端的SYN请求在网络中滞留，之后才到达服务器，而服务器依然会认为这是一个新的连接请求，并发送ACK确认。这样，即使客户端已经关闭了连接，服务器仍可能误以为连接已成功建立，造成资源浪费和数据混乱。三次握手则可以避免这个问题，因为只有当服务器收到客户端对SYN+ACK的确认（第三次握手）时，才会真正建立连接。

3. 同步双方初始序列号：

三次握手过程中的前两次交互完成了双方初始序列号（ISN）的交换。客户端通过SYN包告知服务器自己的ISN（序列号A），服务器通过SYN+ACK包告知客户端自己的ISN（序列号B）。客户端在第三次握手时确认收到服务器的ISN（序列号B+1），这样双方就达成了对初始序列号的共识，为后续数据传输的有序性和可靠性提供了基础。

综上所述，TCP握手之所以不能简化为两次，主要是因为它需要确保双方都具备连接意愿和接收能力、防止因旧连接请求报文段导致的错误连接，以及同步双方初始序列号以保证数据传输的有序性和可靠性。通过三次握手，TCP能够有效地建立起一个可靠、有序的数据传输通道，符合其作为面向连接、提供可靠服务的传输层协议的设计目标。