【TCP】三次握手（建立连接）

前言

在网络通信的世界里，可靠传输协议（TCP）扮演着重要的角色，它保证了数据包能够按顺序、完整地从发送端传送到接收端。TCP协议中有一个至关重要的机制——三次握手。这一过程确保了两个TCP设备在开始数据传输之前建立起一个稳定的连接。

握手之前的准备工作 

在TCP协议下，客户端与服务端之间的通信前，两者都需要进行一系列的初始化工作。客户端需要配置自己的IP地址和端口号，同时获知服务器的IP地址和监听端口。服务端则需设置好自己的IP地址和端口号，并启动监听进程，以便响应客户端的连接请求。这些准备工作是后续握手流程顺利进行的基础。

第一次握手：SYN

第一次握手由客户端发起，它向服务端发送一个带有SYN（同步序列编号）标志的数据包，以表示希望建立连接。这个数据包还包含一个随机的序列号X，用于后续的数据同步。此时，客户端进入SYN_SENT状态。

第二次握手：SYN-ACK

服务端收到客户端的SYN包后，会确认客户端的请求，并回送一个带有SYN和ACK（确认）标志的数据包。这个数据包不仅确认收到了客户端的请求，而且包含了服务端的初始序列号Y，同时也携带一个确认号X+1，表示已经准备好接收客户端接下来的数据。此时，服务端进入SYN_RECEIVED状态。

第三次握手：ACK

最后，客户端收到服务端的SYN-ACK包后，会发送一个仅带有ACK标志的数据包作为应答，其中的确认号为Y+1，表明已经准备好接收服务端的数据。当服务端收到这个ACK包后，双方便完成了连接的建立，进入了ESTABLISHED状态，可以开始正式的数据传输。

TCP三次握手的步骤

1. 客户端发送SYN包（syn=j）到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认。

2. 服务器收到SYN包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态。

3. 客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK（ack=k+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。

完成三次握手后，客户端与服务器开始传送数据。为了提供可靠的传送，TCP在发送新的数据之前，以特定的顺序将数据包的序号，并需要这些包传送给目标机之后的确认消息。

以下是一个简单的Java代码示例，使用Socket类模拟TCP三次握手（建立连接）的过程：

import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
 
public class TcpHandshakeDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 服务器端
        try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080)) {
            System.out.println("服务器端等待客户端连接...");
            Socket socket = serverSocket.accept(); // 等待客户端连接
            System.out.println("客户端已连接");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
 
        // 客户端
        try (Socket socket = new Socket("localhost", 8080)) {
            System.out.println("客户端已连接到服务器");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

TCP为什么需要三次握手

TCP需要三次握手的主要原因是防止旧的重复连接引起连接混乱问题，以及同步初始化序列号。在网络状况比较复杂或者网络状况比较差的情况下，发送方可能会连续发送多次建立连接的请求。如果TCP握手的次数只有两次，那么接收方只能选择接受请求或者拒绝接受请求，但它并不清楚这次的请求是正常的请求，还是由于网络环境问题而导致的过期请求，如果是过期请求的话就会造成错误的连接。三次握手可以实现TCP初始化序列号的确认工作，TCP需要初始化一个序列号来保证消息的顺序。如果是两次握手则不能确认序列号是否正常，如果是四次握手的话会浪费系统的资源，因此TCP三次握手是最优的解决方案。

TCP头结构

TCP头结构是TCP数据包的重要组成部分，包含了TCP通信所需的各种信息。TCP头结构包括以下字段：

• 序号（Sequence Number）：用于标识TCP段中的字节流。

• 确认号（Acknowledgment Number）：用于确认收到对方的数据段。

• 数据偏移（Data Offset）：指示数据段中的TCP头长度。

• 保留（Reserved）：保留字段供将来使用。

• 标志位（Flags）：包括URG、ACK、PSH、RST、SYN和FIN等标志。

• 窗口大小（Window Size）：用于流量控制和拥塞控制。

• 校验和（Checksum）：用于检测数据传输过程中的错误。

• 紧急指针（Urgent Pointer）：用于指示紧急数据的位置。

• TCP选项（TCP Options）：可选字段，包括最大段大小、窗口缩放因子等。

SYN的基本原理

SYN的基本原理涉及到TCP协议中的连接建立过程，即三次握手机制。在这个过程中，SYN（同步序列编号）标志位发挥着至关重要的作用。

首先，SYN标志位用于同步序号，在TCP连接建立的第一次握手中，客户端会向服务端发送一个SYN包，该包包含随机生成的序列号X，表明客户端希望开始建立连接。服务端收到后，会确认客户端的SYN（第二次握手），并回送一个SYN-ACK包，其中也包含服务端的初始序列号Y，同时携带一个确认号X+1，表示已经准备好接收客户端接下来的数据。最后，客户端发送ACK包作为应答（第三次握手），其中的确认号为Y+1，表明已经准备好接收服务端的数据。完成这三次握手后，双方便建立了连接，可以开始数据传输。

其次，SYN还与网络安全中的SYN攻击有关。SYN攻击是一种拒绝服务攻击（DoS攻击），攻击者通过发送大量的SYN包来耗尽目标服务器的资源，导致正常的服务请求无法得到响应。为了防止这种攻击，一些系统采用了SYN Cookie技术，即在收到SYN包时，服务器不立即分配资源，而是先发送一个带有特定Cookie值的SYN-ACK包。真实的客户端会回应一个ACK包，其中的确认号是Cookie值加1，这时服务器才会分配资源，从而有效抵御伪造的SYN包攻击。

总的来说，SYN标志位是TCP协议中确保数据同步和连接建立的关键要素，同时也是网络安全防护中需要特别注意的部分。通过理解SYN的工作原理，我们可以更好地把握网络通信的安全性和稳定性。

结语 

TCP三次握手是一个精心设计的机制，它不仅确保了网络连接的稳定性和可靠性，也避免了因过时或重复的连接请求而导致的资源浪费。了解三次握手的原理和TCP头的结构，有助于深入理解网络协议的工作方式，对于网络工程师而言，这是掌握网络通信基础的关键一步。