三次握手和四次揮手是各個公司常見的考點，也具有一定的水平區(qū)分度呆奕，也被一些面試官作為熱身題养晋。很多小伙伴說這個問題剛開始回答的挺好，但是后面越回答越冒冷汗梁钾，最后就歇菜了绳泉。

見過比較典型的面試場景是這樣的:

面試官：請介紹下三次握手
求職者：第一次握手就是客戶端給服務(wù)器端發(fā)送一個報文，第二次就是服務(wù)器收到報文之后姆泻，會應(yīng)答一個報文給客戶端零酪，第三次握手就是客戶端收到報文后再給服務(wù)器發(fā)送一個報文缕贡，三次握手就成功了翘悉。
面試官：然后呢艰赞？
求職者：這就是三次握手的過程井氢，很簡單的。
面試官：同廉。。。峻呛。罗售。。
（番外篇：一首涼涼送給你）

記住猿人谷一句話：面試時越簡單的問題钩述，一般就是隱藏著比較大的坑寨躁，一般都是需要將問題擴(kuò)展的。上面求職者的回答不對嗎牙勘？當(dāng)然對职恳，但距離面試官的期望可能還有點距離。

希望大家能帶著如下問題進(jìn)行閱讀方面，收獲會更大放钦。

1. 請畫出三次握手和四次揮手的示意圖
2. 為什么連接的時候是三次握手？
3. 什么是半連接隊列恭金？
4. ISN(Initial Sequence Number)是固定的嗎操禀？
5. 三次握手過程中可以攜帶數(shù)據(jù)嗎？
6. 如果第三次握手丟失了横腿，客戶端服務(wù)端會如何處理颓屑？
7. SYN攻擊是什么？
8. 揮手為什么需要四次耿焊？
9. 四次揮手釋放連接時揪惦，等待2MSL的意義?

三次握手和四次揮手.png

1. 三次握手

三次握手（Three-way Handshake）其實就是指建立一個TCP連接時，需要客戶端和服務(wù)器總共發(fā)送3個包罗侯。進(jìn)行三次握手的主要作用就是為了確認(rèn)雙方的接收能力和發(fā)送能力是否正常器腋、指定自己的初始化序列號為后面的可靠性傳送做準(zhǔn)備。實質(zhì)上其實就是連接服務(wù)器指定端口歇父，建立TCP連接蒂培，并同步連接雙方的序列號和確認(rèn)號，交換TCP窗口大小信息榜苫。

剛開始客戶端處于 Closed 的狀態(tài)护戳，服務(wù)端處于 Listen 狀態(tài)。
進(jìn)行三次握手：

• 第一次握手：客戶端給服務(wù)端發(fā)一個 SYN 報文垂睬，并指明客戶端的初始化序列號 ISN(c)媳荒。此時客戶端處于 SYN_SEND 狀態(tài)。

  首部的同步位SYN=1驹饺，初始序號seq=x钳枕，SYN=1的報文段不能攜帶數(shù)據(jù)，但要消耗掉一個序號赏壹。

• 第二次握手：服務(wù)器收到客戶端的 SYN 報文之后鱼炒，會以自己的 SYN 報文作為應(yīng)答，并且也是指定了自己的初始化序列號 ISN(s)蝌借。同時會把客戶端的 ISN + 1 作為ACK 的值昔瞧，表示自己已經(jīng)收到了客戶端的 SYN指蚁，此時服務(wù)器處于 SYN_REVD 的狀態(tài)。

  在確認(rèn)報文段中SYN=1自晰，ACK=1凝化，確認(rèn)號ack=x+1，初始序號seq=y酬荞。

• 第三次握手：客戶端收到 SYN 報文之后搓劫，會發(fā)送一個 ACK 報文，當(dāng)然混巧，也是一樣把服務(wù)器的 ISN + 1 作為 ACK 的值枪向，表示已經(jīng)收到了服務(wù)端的 SYN 報文，此時客戶端處于 ESTABLISHED 狀態(tài)牲剃。服務(wù)器收到 ACK 報文之后遣疯，也處于 ESTABLISHED 狀態(tài)，此時凿傅，雙方已建立起了連接缠犀。

  確認(rèn)報文段ACK=1，確認(rèn)號ack=y+1聪舒，序號seq=x+1（初始為seq=x辨液，第二個報文段所以要+1），ACK報文段可以攜帶數(shù)據(jù)箱残，不攜帶數(shù)據(jù)則不消耗序號滔迈。

發(fā)送第一個SYN的一端將執(zhí)行主動打開（active open），接收這個SYN并發(fā)回下一個SYN的另一端執(zhí)行被動打開（passive open）被辑。

在socket編程中燎悍，客戶端執(zhí)行connect()時，將觸發(fā)三次握手盼理。

三次握手.png

1.1 為什么需要三次握手谈山，兩次不行嗎？

弄清這個問題宏怔，我們需要先弄明白三次握手的目的是什么奏路，能不能只用兩次握手來達(dá)到同樣的目的。

• 第一次握手：客戶端發(fā)送網(wǎng)絡(luò)包臊诊，服務(wù)端收到了鸽粉。
  這樣服務(wù)端就能得出結(jié)論：客戶端的發(fā)送能力、服務(wù)端的接收能力是正常的抓艳。
• 第二次握手：服務(wù)端發(fā)包触机，客戶端收到了。
  這樣客戶端就能得出結(jié)論：服務(wù)端的接收、發(fā)送能力威兜，客戶端的接收销斟、發(fā)送能力是正常的。不過此時服務(wù)器并不能確認(rèn)客戶端的接收能力是否正常椒舵。
• 第三次握手：客戶端發(fā)包，服務(wù)端收到了约谈。
  這樣服務(wù)端就能得出結(jié)論：客戶端的接收笔宿、發(fā)送能力正常，服務(wù)器自己的發(fā)送棱诱、接收能力也正常泼橘。

因此，需要三次握手才能確認(rèn)雙方的接收與發(fā)送能力是否正常迈勋。

試想如果是用兩次握手炬灭，則會出現(xiàn)下面這種情況：

如客戶端發(fā)出連接請求，但因連接請求報文丟失而未收到確認(rèn)靡菇，于是客戶端再重傳一次連接請求重归。后來收到了確認(rèn)，建立了連接厦凤。數(shù)據(jù)傳輸完畢后鼻吮，就釋放了連接，客戶端共發(fā)出了兩個連接請求報文段较鼓，其中第一個丟失椎木，第二個到達(dá)了服務(wù)端，但是第一個丟失的報文段只是在某些網(wǎng)絡(luò)結(jié)點長時間滯留了博烂，延誤到連接釋放以后的某個時間才到達(dá)服務(wù)端香椎，此時服務(wù)端誤認(rèn)為客戶端又發(fā)出一次新的連接請求，于是就向客戶端發(fā)出確認(rèn)報文段禽篱，同意建立連接畜伐，不采用三次握手，只要服務(wù)端發(fā)出確認(rèn)谆级，就建立新的連接了烤礁，此時客戶端忽略服務(wù)端發(fā)來的確認(rèn)，也不發(fā)送數(shù)據(jù)肥照，則服務(wù)端一致等待客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)脚仔，浪費資源。

1.2 什么是半連接隊列舆绎？

服務(wù)器第一次收到客戶端的 SYN 之后鲤脏，就會處于 SYN_RCVD 狀態(tài)，此時雙方還沒有完全建立其連接，服務(wù)器會把此種狀態(tài)下請求連接放在一個隊列里猎醇，我們把這種隊列稱之為半連接隊列窥突。

當(dāng)然還有一個全連接隊列，就是已經(jīng)完成三次握手硫嘶，建立起連接的就會放在全連接隊列中阻问。如果隊列滿了就有可能會出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。

這里在補(bǔ)充一點關(guān)于SYN-ACK 重傳次數(shù)的問題：
服務(wù)器發(fā)送完SYN-ACK包沦疾，如果未收到客戶確認(rèn)包称近，服務(wù)器進(jìn)行首次重傳，等待一段時間仍未收到客戶確認(rèn)包哮塞，進(jìn)行第二次重傳刨秆。如果重傳次數(shù)超過系統(tǒng)規(guī)定的最大重傳次數(shù)，系統(tǒng)將該連接信息從半連接隊列中刪除忆畅。
注意衡未，每次重傳等待的時間不一定相同，一般會是指數(shù)增長家凯，例如間隔時間為 1s缓醋，2s，4s肆饶，8s......

1.3 ISN(Initial Sequence Number)是固定的嗎改衩？

當(dāng)一端為建立連接而發(fā)送它的SYN時，它為連接選擇一個初始序號驯镊。ISN隨時間而變化葫督，因此每個連接都將具有不同的ISN。ISN可以看作是一個32比特的計數(shù)器板惑，每4ms加1 橄镜。這樣選擇序號的目的在于防止在網(wǎng)絡(luò)中被延遲的分組在以后又被傳送，而導(dǎo)致某個連接的一方對它做錯誤的解釋冯乘。

三次握手的其中一個重要功能是客戶端和服務(wù)端交換 ISN(Initial Sequence Number)洽胶，以便讓對方知道接下來接收數(shù)據(jù)的時候如何按序列號組裝數(shù)據(jù)。如果 ISN 是固定的裆馒，攻擊者很容易猜出后續(xù)的確認(rèn)號姊氓，因此 ISN 是動態(tài)生成的。

1.4 三次握手過程中可以攜帶數(shù)據(jù)嗎喷好？

其實第三次握手的時候翔横，是可以攜帶數(shù)據(jù)的。但是梗搅，第一次禾唁、第二次握手不可以攜帶數(shù)據(jù)

為什么這樣呢?大家可以想一個問題效览，假如第一次握手可以攜帶數(shù)據(jù)的話，如果有人要惡意攻擊服務(wù)器荡短，那他每次都在第一次握手中的 SYN 報文中放入大量的數(shù)據(jù)丐枉。因為攻擊者根本就不理服務(wù)器的接收、發(fā)送能力是否正常掘托，然后瘋狂著重復(fù)發(fā) SYN 報文的話瘦锹，這會讓服務(wù)器花費很多時間、內(nèi)存空間來接收這些報文闪盔。

也就是說沼本，第一次握手不可以放數(shù)據(jù)，其中一個簡單的原因就是會讓服務(wù)器更加容易受到攻擊了锭沟。而對于第三次的話，此時客戶端已經(jīng)處于 ESTABLISHED 狀態(tài)识补。對于客戶端來說族淮，他已經(jīng)建立起連接了，并且也已經(jīng)知道服務(wù)器的接收凭涂、發(fā)送能力是正常的了祝辣，所以能攜帶數(shù)據(jù)也沒啥毛病。

1.5 SYN攻擊是什么切油？

服務(wù)器端的資源分配是在二次握手時分配的蝙斜，而客戶端的資源是在完成三次握手時分配的，所以服務(wù)器容易受到SYN洪泛攻擊澎胡。SYN攻擊就是Client在短時間內(nèi)偽造大量不存在的IP地址孕荠，并向Server不斷地發(fā)送SYN包，Server則回復(fù)確認(rèn)包攻谁，并等待Client確認(rèn)稚伍，由于源地址不存在，因此Server需要不斷重發(fā)直至超時戚宦，這些偽造的SYN包將長時間占用未連接隊列个曙，導(dǎo)致正常的SYN請求因為隊列滿而被丟棄，從而引起網(wǎng)絡(luò)擁塞甚至系統(tǒng)癱瘓受楼。SYN 攻擊是一種典型的 DoS/DDoS 攻擊垦搬。

檢測 SYN 攻擊非常的方便，當(dāng)你在服務(wù)器上看到大量的半連接狀態(tài)時艳汽，特別是源IP地址是隨機(jī)的猴贰，基本上可以斷定這是一次SYN攻擊。在 Linux/Unix 上可以使用系統(tǒng)自帶的 netstats 命令來檢測 SYN 攻擊骚灸。

netstat -n -p TCP | grep SYN_RECV

常見的防御 SYN 攻擊的方法有如下幾種：

• 縮短超時（SYN Timeout）時間
• 增加最大半連接數(shù)
• 過濾網(wǎng)關(guān)防護(hù)
• SYN cookies技術(shù)

2. 四次揮手

建立一個連接需要三次握手糟趾，而終止一個連接要經(jīng)過四次揮手（也有將四次揮手叫做四次握手的）。這由TCP的半關(guān)閉（half-close）造成的。所謂的半關(guān)閉义郑，其實就是TCP提供了連接的一端在結(jié)束它的發(fā)送后還能接收來自另一端數(shù)據(jù)的能力蝶柿。

TCP 的連接的拆除需要發(fā)送四個包，因此稱為四次揮手(Four-way handshake)非驮，客戶端或服務(wù)器均可主動發(fā)起揮手動作交汤。

剛開始雙方都處于 ESTABLISHED 狀態(tài)，假如是客戶端先發(fā)起關(guān)閉請求劫笙。四次揮手的過程如下：

• 第一次揮手：客戶端發(fā)送一個 FIN 報文芙扎，報文中會指定一個序列號。此時客戶端處于 FIN_WAIT1 狀態(tài)填大。
  即發(fā)出連接釋放報文段（FIN=1戒洼，序號seq=u），并停止再發(fā)送數(shù)據(jù)允华，主動關(guān)閉TCP連接圈浇，進(jìn)入FIN_WAIT1（終止等待1）狀態(tài)，等待服務(wù)端的確認(rèn)靴寂。
• 第二次揮手：服務(wù)端收到 FIN 之后磷蜀，會發(fā)送 ACK 報文，且把客戶端的序列號值 +1 作為 ACK 報文的序列號值百炬，表明已經(jīng)收到客戶端的報文了褐隆，此時服務(wù)端處于 CLOSE_WAIT 狀態(tài)。
  即服務(wù)端收到連接釋放報文段后即發(fā)出確認(rèn)報文段（ACK=1剖踊，確認(rèn)號ack=u+1庶弃，序號seq=v），服務(wù)端進(jìn)入CLOSE_WAIT（關(guān)閉等待）狀態(tài)蜜宪，此時的TCP處于半關(guān)閉狀態(tài)虫埂，客戶端到服務(wù)端的連接釋放∑匝椋客戶端收到服務(wù)端的確認(rèn)后掉伏，進(jìn)入FIN_WAIT2（終止等待2）狀態(tài)，等待服務(wù)端發(fā)出的連接釋放報文段澳窑。
• 第三次揮手：如果服務(wù)端也想斷開連接了斧散，和客戶端的第一次揮手一樣，發(fā)給 FIN 報文摊聋，且指定一個序列號鸡捐。此時服務(wù)端處于 LAST_ACK 的狀態(tài)。
  即服務(wù)端沒有要向客戶端發(fā)出的數(shù)據(jù)麻裁，服務(wù)端發(fā)出連接釋放報文段（FIN=1箍镜，ACK=1源祈，序號seq=w，確認(rèn)號ack=u+1）色迂，服務(wù)端進(jìn)入LAST_ACK（最后確認(rèn)）狀態(tài)香缺，等待客戶端的確認(rèn)。
• 第四次揮手：客戶端收到 FIN 之后歇僧，一樣發(fā)送一個 ACK 報文作為應(yīng)答图张，且把服務(wù)端的序列號值 +1 作為自己 ACK 報文的序列號值，此時客戶端處于 TIME_WAIT 狀態(tài)诈悍。需要過一陣子以確保服務(wù)端收到自己的 ACK 報文之后才會進(jìn)入 CLOSED 狀態(tài)祸轮，服務(wù)端收到 ACK 報文之后，就處于關(guān)閉連接了侥钳，處于 CLOSED 狀態(tài)适袜。
  即客戶端收到服務(wù)端的連接釋放報文段后，對此發(fā)出確認(rèn)報文段（ACK=1舷夺，seq=u+1痪蝇，ack=w+1），客戶端進(jìn)入TIME_WAIT（時間等待）狀態(tài)冕房。此時TCP未釋放掉，需要經(jīng)過時間等待計時器設(shè)置的時間2MSL后趁矾，客戶端才進(jìn)入CLOSED狀態(tài)耙册。

收到一個FIN只意味著在這一方向上沒有數(shù)據(jù)流動。客戶端執(zhí)行主動關(guān)閉并進(jìn)入TIME_WAIT是正常的毫捣，服務(wù)端通常執(zhí)行被動關(guān)閉详拙，不會進(jìn)入TIME_WAIT狀態(tài)。

在socket編程中蔓同，任何一方執(zhí)行close()操作即可產(chǎn)生揮手操作饶辙。

image.png

2.1 揮手為什么需要四次？

因為當(dāng)服務(wù)端收到客戶端的SYN連接請求報文后斑粱，可以直接發(fā)送SYN+ACK報文弃揽。其中ACK報文是用來應(yīng)答的，SYN報文是用來同步的则北。但是關(guān)閉連接時矿微，當(dāng)服務(wù)端收到FIN報文時，很可能并不會立即關(guān)閉SOCKET尚揣，所以只能先回復(fù)一個ACK報文涌矢，告訴客戶端，"你發(fā)的FIN報文我收到了"快骗。只有等到我服務(wù)端所有的報文都發(fā)送完了娜庇，我才能發(fā)送FIN報文塔次，因此不能一起發(fā)送。故需要四次揮手名秀。

2.2 2MSL等待狀態(tài)

TIME_WAIT狀態(tài)也成為2MSL等待狀態(tài)励负。每個具體TCP實現(xiàn)必須選擇一個報文段最大生存時間MSL（Maximum Segment Lifetime），它是任何報文段被丟棄前在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的最長時間泰偿。這個時間是有限的熄守，因為TCP報文段以IP數(shù)據(jù)報在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸，而IP數(shù)據(jù)報則有限制其生存時間的TTL字段耗跛。

對一個具體實現(xiàn)所給定的MSL值裕照，處理的原則是：當(dāng)TCP執(zhí)行一個主動關(guān)閉，并發(fā)回最后一個ACK调塌，該連接必須在TIME_WAIT狀態(tài)停留的時間為2倍的MSL晋南。這樣可讓TCP再次發(fā)送最后的ACK以防這個ACK丟失（另一端超時并重發(fā)最后的FIN）。

這種2MSL等待的另一個結(jié)果是這個TCP連接在2MSL等待期間羔砾，定義這個連接的插口（客戶的IP地址和端口號负间，服務(wù)器的IP地址和端口號）不能再被使用。這個連接只能在2MSL結(jié)束后才能再被使用姜凄。

2.3 四次揮手釋放連接時政溃，等待2MSL的意義?

MSL是Maximum Segment Lifetime的英文縮寫，可譯為“最長報文段壽命”态秧，它是任何報文在網(wǎng)絡(luò)上存在的最長時間董虱，超過這個時間報文將被丟棄。

為了保證客戶端發(fā)送的最后一個ACK報文段能夠到達(dá)服務(wù)器申鱼。因為這個ACK有可能丟失愤诱，從而導(dǎo)致處在LAST-ACK狀態(tài)的服務(wù)器收不到對FIN-ACK的確認(rèn)報文。服務(wù)器會超時重傳這個FIN-ACK捐友，接著客戶端再重傳一次確認(rèn)淫半，重新啟動時間等待計時器。最后客戶端和服務(wù)器都能正常的關(guān)閉匣砖。假設(shè)客戶端不等待2MSL科吭，而是在發(fā)送完ACK之后直接釋放關(guān)閉，一但這個ACK丟失的話猴鲫，服務(wù)器就無法正常的進(jìn)入關(guān)閉連接狀態(tài)砌溺。

兩個理由：

1. 保證客戶端發(fā)送的最后一個ACK報文段能夠到達(dá)服務(wù)端。
   這個ACK報文段有可能丟失变隔，使得處于LAST-ACK狀態(tài)的B收不到對已發(fā)送的FIN+ACK報文段的確認(rèn)规伐，服務(wù)端超時重傳FIN+ACK報文段，而客戶端能在2MSL時間內(nèi)收到這個重傳的FIN+ACK報文段匣缘，接著客戶端重傳一次確認(rèn)猖闪，重新啟動2MSL計時器鲜棠，最后客戶端和服務(wù)端都進(jìn)入到CLOSED狀態(tài)，若客戶端在TIME-WAIT狀態(tài)不等待一段時間培慌，而是發(fā)送完ACK報文段后立即釋放連接豁陆，則無法收到服務(wù)端重傳的FIN+ACK報文段，所以不會再發(fā)送一次確認(rèn)報文段吵护，則服務(wù)端無法正常進(jìn)入到CLOSED狀態(tài)盒音。
2. 防止“已失效的連接請求報文段”出現(xiàn)在本連接中。
   客戶端在發(fā)送完最后一個ACK報文段后馅而，再經(jīng)過2MSL祥诽，就可以使本連接持續(xù)的時間內(nèi)所產(chǎn)生的所有報文段都從網(wǎng)絡(luò)中消失，使下一個新的連接中不會出現(xiàn)這種舊的連接請求報文段瓮恭。

2.4 為什么TIME_WAIT狀態(tài)需要經(jīng)過2MSL才能返回到CLOSE狀態(tài)雄坪？

理論上，四個報文都發(fā)送完畢屯蹦，就可以直接進(jìn)入CLOSE狀態(tài)了维哈，但是可能網(wǎng)絡(luò)是不可靠的，有可能最后一個ACK丟失登澜。所以TIME_WAIT狀態(tài)就是用來重發(fā)可能丟失的ACK報文阔挠。

3. 總結(jié)

《TCP/IP詳解 卷1:協(xié)議》有一張TCP狀態(tài)變遷圖，很具有代表性脑蠕，有助于大家理解三次握手和四次揮手的狀態(tài)變化谒亦。如下圖所示，粗的實線箭頭表示正常的客戶端狀態(tài)變遷空郊，粗的虛線箭頭表示正常的服務(wù)器狀態(tài)變遷。

TCP狀態(tài)變遷圖.jpg

以后面試官再問你三次握手和四次揮手切揭，直接把這一篇文章丟給他就可以了狞甚，他想問的都在這里。

參考：《TCP/IP詳解 卷1:協(xié)議》