TCP/IP协议之三次握手过程及原因

三次握手都做什么？

三次握手 建立起 TCP连接 的 reliable，分配初始序列号和资源，在相互确认之后开始数据的传输。有 主动打开(一般是client) 和 被动打开(一般是server)。

TCP使用3次握手建立一条连接，该握手初始化了传输可靠性以及数据顺序性必要的信息，这些信息包括两个方向的初始序列号，确认号由初始序列号生成，使用3次握手是因为3次握手已经准备好了传输可靠性以及数据顺序性所必要的信息，该握手的第3次实际上并不是需要单独传输的，完全可以和数据一起传输。详细过程如下所示：

第一步，Client会进入SYN_SENT状态，并发送Syn 消息给Server端，SYN标志位在此场景下被设置为1，同时会带上Client这端分配好的Seq号，这个序列号是一个U32的整型数，该数值的分配是根据时间产生的一个随机值，通常情况下每间隔4ms会加1。除此之外还会带一个MSS，也就是最大报文段长度，表示Tcp传往另一端的最大数据块的长度。

第二步，Server端在收到，Syn消息之后，会进入SYN_RCVD状态，同时返回Ack消息给Client，用来通知Client，Server端已经收到SYN消息并通过了确认。这一步Server端包含两部分内容，一部分是回复Client的Syn消息，其中ACK=1，Seq号设置为Client的Syn消息的Seq数值+1；另一部分是主动发送Sever端的Syn消息给Client，Seq号码是Server端上面对应的序列号，当然Syn标志位也会设置成1，MSS表示的是Server这一端的最大数据块长度。

第三步，Client在收到第二步消息之后，首先会将Client端的状态从SYN_SENT变换成ESTABLISHED,此时Client发消息给Server端，这个方向的通道已经建立成功，Client可以发送消息给Server端了，Server端也可以成功收到这些消息。其次，Client端需要回复ACK消息给Server端，消息包含ACK状态被设置为1，Seq号码被设置成Server端的序列号+1。（备注：这一步往往会与Client主动发起的数据消息，合并到一起发送给Server端。）

第四步，Server端在收到这个Ack消息之后，会进入ESTABLISHED状态，到此时刻Server发向Client的通道连接建立成功，Server可以发送数据给Client，TCP的全双工连接建立完成。

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为什么需要三次握手？

TCP的连接因为是全双工的，也就是Client和Server两端，发送消息两个方向的连接都要建立成功。如果要保证双向连接都成功的话，三次通信是最少的次数了。大于三次的话，后面的次数通信就没有必要了，是在浪费资源。

二次的话，会怎么样，可不可以呢？答案是不可以，我们来看下，下面的场景。

在谈论这个之前，我们先要知道TCP是基于IP协议的，而IP协议是有路由的，IP协议不能够保证先发送的数据先到达，这当中依赖于IP协议底层的网络质量，以及Client与Server之间的路由跳数。

Client在发送完Syn消息1，这里称作Syn1之后，假设因为网络原因，Syn1并没有到达Server端，这个时候Client端已经超时，Client之后重新发起SYN消息，这里称作Syn2。结果由于网络原因Syn2先到达Server，Server于是与Client基于Syn2建立了连接，结果没过多久Syn1又到达了Server,Server于是关掉了Syn2建立的那条连接，又重新建立了一条连接。对于Client来说新建立的这条连接是早就过时的，所以Client不会在这条连接上发送任何数据，这就导致了Server端长时间收不到数据，Client新的连接被断掉了。

三次握手失败了会怎么样？

这里要看是在那个阶段失败的，Client在发送SYN之后没有收到ACK消息，Client会进行重传，第一次重传时间5.5-6s之间，第二次重传会是24s，不成功还会继续尝试，伯克利系统在超过75s之后，如果还是不成功，会放弃尝试连接。（备注：这里面的重传时间设置，与底层的定时器设置有过关系，可以参考TCP/IP详解卷1，这里不做详谈。）

如果Server没有收到最后的一次Ack消息，同样的原理，Server也会进行重传第二步的Syn+Ack消息。

三次握手的状态转换？

TCP的状态变化图如下所示，Client和Server的初始状态都是CLOSED状态，其中：

Client:

CLOSED-----发送Syn 消息--->SYN_SENT-----收到Server端发回的SYN+ACK--->ESTABLISHED---发送和接收数据-->......

Server:

CLOSED----收到Client端发送过来的SYN消息-->SYN_RCVD-----发送SYN+ACK消息--->SYN_RCVD----收到Client发回来的ACK消息--->ESTABLISHED-----发送和接收数据-->......

其中TCP的三次握手与Scoket的函数对应关系如下所示：

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备注：connect时，触发了连接请求，向服务器发送了SYN J包，这时connect进入阻塞状态；服务器监听到连接请求，即收到SYN J包，调用accept函数接收请求向客户端发送SYN K ，ACK J+1，这时accept进入阻塞状态；客户端收到服务器的SYN K ，ACK J+1之后，这时connect返回，并对SYN K进行确认；服务器收到ACK K+1时，accept返回，至此三次握手完毕，连接建立。--摘自：原文：https://blog.csdn.net/futurewu/article/details/76674016

参考资料：

TCP/IP详解 卷 I

https://blog.csdn.net/futurewu/article/details/76674016

https://blog.csdn.net/dog250/article/details/6612496

https://blog.csdn.net/varyall/article/details/80348850