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

見過比較典型的面試場(chǎng)景是這樣的:

面試官：請(qǐng)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(gè)報(bào)文，第二次就是服務(wù)器收到報(bào)文之后，會(huì)應(yīng)答一個(gè)報(bào)文給客戶端，第三次握手就是客戶端收到報(bào)文后再給服務(wù)器發(fā)送一個(gè)報(bào)文，三次握手就成功了。
面試官：然后呢？
求職者：這就是三次握手的過程，很簡(jiǎn)單的。
面試官：。。。。。。
（番外篇：一首涼涼送給你）

記住猿人谷一句話：面試時(shí)越簡(jiǎn)單的問題，一般就是隱藏著比較大的坑，一般都是需要將問題擴(kuò)展的。上面求職者的回答不對(duì)嗎？當(dāng)然對(duì)，但距離面試官的期望可能還有點(diǎn)距離。

希望大家能帶著如下問題進(jìn)行閱讀，收獲會(huì)更大。

1. 請(qǐng)畫出三次握手和四次揮手的示意圖
2. 為什么連接的時(shí)候是三次握手？
3. 什么是半連接隊(duì)列？
4. ISN(Initial Sequence Number)是固定的嗎？
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，客戶端服務(wù)端會(huì)如何處理？
7. SYN攻擊是什么？
8. 揮手為什么需要四次？
9. 四次揮手釋放連接時(shí)，等待2MSL的意義?

1. 三次握手

三次握手（Three-way Handshake）其實(shí)就是指建立一個(gè)TCP連接時(shí)，需要客戶端和服務(wù)器總共發(fā)送3個(gè)包。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、指定自己的初始化序列號(hào)為后面的可靠性傳送做準(zhǔn)備。實(shí)質(zhì)上其實(shí)就是連接服務(wù)器指定端口，建立TCP連接，并同步連接雙方的序列號(hào)和確認(rèn)號(hào)，交換TCP窗口大小信息。

剛開始客戶端處于 Closed 的狀態(tài)，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(gè) SYN 報(bào)文，并指明客戶端的初始化序列號(hào) ISN。此時(shí)客戶端處于 SYN_SENT 狀態(tài)。

  首部的同步位SYN=1，初始序號(hào)seq=x，SYN=1的報(bào)文段不能攜帶數(shù)據(jù)，但要消耗掉一個(gè)序號(hào)。

• 第二次握手：服務(wù)器收到客戶端的 SYN 報(bào)文之后，會(huì)以自己的 SYN 報(bào)文作為應(yīng)答，并且也是指定了自己的初始化序列號(hào) ISN(s)。同時(shí)會(huì)把客戶端的 ISN + 1 作為ACK 的值，表示自己已經(jīng)收到了客戶端的 SYN，此時(shí)服務(wù)器處于 SYN_RCVD 的狀態(tài)。

  在確認(rèn)報(bào)文段中SYN=1，ACK=1，確認(rèn)號(hào)ack=x+1，初始序號(hào)seq=y。

• 第三次握手：客戶端收到 SYN 報(bào)文之后，會(huì)發(fā)送一個(gè) ACK 報(bào)文，當(dāng)然，也是一樣把服務(wù)器的 ISN + 1 作為 ACK 的值，表示已經(jīng)收到了服務(wù)端的 SYN 報(bào)文，此時(shí)客戶端處于 ESTABLISHED 狀態(tài)。服務(wù)器收到 ACK 報(bào)文之后，也處于 ESTABLISHED 狀態(tài)，此時(shí)，雙方已建立起了連接。

  確認(rèn)報(bào)文段ACK=1，確認(rèn)號(hào)ack=y+1，序號(hào)seq=x+1（初始為seq=x，第二個(gè)報(bào)文段所以要+1），ACK報(bào)文段可以攜帶數(shù)據(jù)，不攜帶數(shù)據(jù)則不消耗序號(hào)。

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

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

1.1 為什么需要三次握手，兩次不行嗎？

弄清這個(gè)問題，我們需要先弄明白三次握手的目的是什么，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，服務(wù)端收到了。
  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。
• 第二次握手：服務(wù)端發(fā)包，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，客戶端的接收、發(fā)送能力是正常的。不過此時(shí)服務(wù)器并不能確認(rèn)客戶端的接收能力是否正常。
• 第三次握手：客戶端發(fā)包，服務(wù)端收到了。
  這樣服務(wù)端就能得出結(jié)論：客戶端的接收、發(fā)送能力正常，服務(wù)器自己的發(fā)送、接收能力也正常。

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。

試想如果是用兩次握手，則會(huì)出現(xiàn)下面這種情況：

如客戶端發(fā)出連接請(qǐng)求，但因連接請(qǐng)求報(bào)文丟失而未收到確認(rèn)，于是客戶端再重傳一次連接請(qǐng)求。后來收到了確認(rèn)，建立了連接。數(shù)據(jù)傳輸完畢后，就釋放了連接，客戶端共發(fā)出了兩個(gè)連接請(qǐng)求報(bào)文段，其中第一個(gè)丟失，第二個(gè)到達(dá)了服務(wù)端，但是第一個(gè)丟失的報(bào)文段只是在某些網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間滯留了，延誤到連接釋放以后的某個(gè)時(shí)間才到達(dá)服務(wù)端，此時(shí)服務(wù)端誤認(rèn)為客戶端又發(fā)出一次新的連接請(qǐng)求，于是就向客戶端發(fā)出確認(rèn)報(bào)文段，同意建立連接，不采用三次握手，只要服務(wù)端發(fā)出確認(rèn)，就建立新的連接了，此時(shí)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)，則服務(wù)端一致等待客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，浪費(fèi)資源。

1.2 什么是半連接隊(duì)列？

服務(wù)器第一次收到客戶端的 SYN 之后，就會(huì)處于 SYN_RCVD 狀態(tài)，此時(shí)雙方還沒有完全建立其連接，服務(wù)器會(huì)把此種狀態(tài)下請(qǐng)求連接放在一個(gè)隊(duì)列里，我們把這種隊(duì)列稱之為半連接隊(duì)列。

當(dāng)然還有一個(gè)全連接隊(duì)列，就是已經(jīng)完成三次握手，建立起連接的就會(huì)放在全連接隊(duì)列中。如果隊(duì)列滿了就有可能會(huì)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。

這里在補(bǔ)充一點(diǎn)關(guān)于SYN-ACK 重傳次數(shù)的問題：
服務(wù)器發(fā)送完SYN-ACK包，如果未收到客戶確認(rèn)包，服務(wù)器進(jìn)行首次重傳，等待一段時(shí)間仍未收到客戶確認(rèn)包，進(jìn)行第二次重傳。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(duì)列中刪除。
注意，每次重傳等待的時(shí)間不一定相同，一般會(huì)是指數(shù)增長(zhǎng)，例如間隔時(shí)間為 1s，2s，4s，8s…

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

當(dāng)一端為建立連接而發(fā)送它的SYN時(shí)，它為連接選擇一個(gè)初始序號(hào)。ISN隨時(shí)間而變化，因此每個(gè)連接都將具有不同的ISN。ISN可以看作是一個(gè)32比特的計(jì)數(shù)器，每4ms加1 。這樣選擇序號(hào)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(gè)連接的一方對(duì)它做錯(cuò)誤的解釋。

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

1.4 三次握手過程中可以攜帶數(shù)據(jù)嗎？

其實(shí)第三次握手的時(shí)候，是可以攜帶數(shù)據(jù)的。但是，第一次、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(gè)問題，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，那他每次都在第一次握手中的 SYN 報(bào)文中放入大量的數(shù)據(jù)。因?yàn)楣粽吒揪筒焕矸?wù)器的接收、發(fā)送能力是否正常，然后瘋狂著重復(fù)發(fā) SYN 報(bào)文的話，這會(huì)讓服務(wù)器花費(fèi)很多時(shí)間、內(nèi)存空間來接收這些報(bào)文。

也就是說，第一次握手不可以放數(shù)據(jù)，其中一個(gè)簡(jiǎn)單的原因就是會(huì)讓服務(wù)器更加容易受到攻擊了。而對(duì)于第三次的話，此時(shí)客戶端已經(jīng)處于 ESTABLISHED 狀態(tài)。對(duì)于客戶端來說，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、發(fā)送能力是正常的了，所以能攜帶數(shù)據(jù)也沒啥毛病。

1.5 SYN攻擊是什么？

服務(wù)器端的資源分配是在二次握手時(shí)分配的，而客戶端的資源是在完成三次握手時(shí)分配的，所以服務(wù)器容易受到SYN洪泛攻擊。SYN攻擊就是Client在短時(shí)間內(nèi)偽造大量不存在的IP地址，并向Server不斷地發(fā)送SYN包，Server則回復(fù)確認(rèn)包，并等待Client確認(rèn)，由于源地址不存在，因此Server需要不斷重發(fā)直至超時(shí)，這些偽造的SYN包將長(zhǎng)時(shí)間占用未連接隊(duì)列，導(dǎo)致正常的SYN請(qǐng)求因?yàn)殛?duì)列滿而被丟棄，從而引起網(wǎng)絡(luò)擁塞甚至系統(tǒng)癱瘓。SYN 攻擊是一種典型的 DoS/DDoS 攻擊。

檢測(cè) 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(shí)，特別是源IP地址是隨機(jī)的，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(cè) SYN 攻擊。

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(shí)（SYN Timeout）時(shí)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(gè)連接需要三次握手，而終止一個(gè)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，其實(shí)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。

TCP 的連接的拆除需要發(fā)送四個(gè)包，因此稱為四次揮手(Four-way handshake)，客戶端或服務(wù)器均可主動(dòng)發(fā)起揮手動(dòng)作。

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(qǐng)求。四次揮手的過程如下：

• 第一次揮手：客戶端發(fā)送一個(gè) FIN 報(bào)文，報(bào)文中會(huì)指定一個(gè)序列號(hào)。此時(shí)客戶端處于 FIN_WAIT1 狀態(tài)。
  即發(fā)出連接釋放報(bào)文段（FIN=1，序號(hào)seq=u），并停止再發(fā)送數(shù)據(jù)，主動(dòng)關(guān)閉TCP連接，進(jìn)入FIN_WAIT1（終止等待1）狀態(tài)，等待服務(wù)端的確認(rèn)。
• 第二次揮手：服務(wù)端收到 FIN 之后，會(huì)發(fā)送 ACK 報(bào)文，且把客戶端的序列號(hào)值 +1 作為 ACK 報(bào)文的序列號(hào)值，表明已經(jīng)收到客戶端的報(bào)文了，此時(shí)服務(wù)端處于 CLOSE_WAIT 狀態(tài)。
  即服務(wù)端收到連接釋放報(bào)文段后即發(fā)出確認(rèn)報(bào)文段（ACK=1，確認(rèn)號(hào)ack=u+1，序號(hào)seq=v），服務(wù)端進(jìn)入CLOSE_WAIT（關(guān)閉等待）狀態(tài)，此時(shí)的TCP處于半關(guān)閉狀態(tài)，客戶端到服務(wù)端的連接釋放。客戶端收到服務(wù)端的確認(rèn)后，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(bào)文段。
• 第三次揮手：如果服務(wù)端也想斷開連接了，和客戶端的第一次揮手一樣，發(fā)給 FIN 報(bào)文，且指定一個(gè)序列號(hào)。此時(shí)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)，服務(wù)端發(fā)出連接釋放報(bào)文段（FIN=1，ACK=1，序號(hào)seq=w，確認(rèn)號(hào)ack=u+1），服務(wù)端進(jìn)入LAST_ACK（最后確認(rèn)）狀態(tài)，等待客戶端的確認(rèn)。
• 第四次揮手：客戶端收到 FIN 之后，一樣發(fā)送一個(gè) ACK 報(bào)文作為應(yīng)答，且把服務(wù)端的序列號(hào)值 +1 作為自己 ACK 報(bào)文的序列號(hào)值，此時(shí)客戶端處于 TIME_WAIT 狀態(tài)。需要過一陣子以確保服務(wù)端收到自己的 ACK 報(bào)文之后才會(huì)進(jìn)入 CLOSED 狀態(tài)，服務(wù)端收到 ACK 報(bào)文之后，就處于關(guān)閉連接了，處于 CLOSED 狀態(tài)。
  即客戶端收到服務(wù)端的連接釋放報(bào)文段后，對(duì)此發(fā)出確認(rèn)報(bào)文段（ACK=1，seq=u+1，ack=w+1），客戶端進(jìn)入TIME_WAIT（時(shí)間等待）狀態(tài)。此時(shí)TCP未釋放掉，需要經(jīng)過時(shí)間等待計(jì)時(shí)器設(shè)置的時(shí)間2MSL后，客戶端才進(jìn)入CLOSED狀態(tài)。

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

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

2.1 揮手為什么需要四次？

因?yàn)楫?dāng)服務(wù)端收到客戶端的SYN連接請(qǐng)求報(bào)文后，可以直接發(fā)送SYN+ACK報(bào)文。其中ACK報(bào)文是用來應(yīng)答的，SYN報(bào)文是用來同步的。但是關(guān)閉連接時(shí)，當(dāng)服務(wù)端收到FIN報(bào)文時(shí)，很可能并不會(huì)立即關(guān)閉SOCKET，所以只能先回復(fù)一個(gè)ACK報(bào)文，告訴客戶端，“你發(fā)的FIN報(bào)文我收到了”。只有等到我服務(wù)端所有的報(bào)文都發(fā)送完了，我才能發(fā)送FIN報(bào)文，因此不能一起發(fā)送。故需要四次揮手。

2.2 2MSL等待狀態(tài)

TIME_WAIT狀態(tài)也成為2MSL等待狀態(tài)。每個(gè)具體TCP實(shí)現(xiàn)必須選擇一個(gè)報(bào)文段最大生存時(shí)間MSL（Maximum Segment Lifetime），它是任何報(bào)文段被丟棄前在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的最長(zhǎng)時(shí)間。這個(gè)時(shí)間是有限的，因?yàn)門CP報(bào)文段以IP數(shù)據(jù)報(bào)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸，而IP數(shù)據(jù)報(bào)則有限制其生存時(shí)間的TTL字段。

對(duì)一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)所給定的MSL值，處理的原則是：當(dāng)TCP執(zhí)行一個(gè)主動(dòng)關(guān)閉，并發(fā)回最后一個(gè)ACK，該連接必須在TIME_WAIT狀態(tài)停留的時(shí)間為2倍的MSL。這樣可讓TCP再次發(fā)送最后的ACK以防這個(gè)ACK丟失（另一端超時(shí)并重發(fā)最后的FIN）。

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

2.3 四次揮手釋放連接時(shí)，等待2MSL的意義?

MSL是Maximum Segment Lifetime的英文縮寫，可譯為“最長(zhǎng)報(bào)文段壽命”，它是任何報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)上存在的最長(zhǎng)時(shí)間，超過這個(gè)時(shí)間報(bào)文將被丟棄。

為了保證客戶端發(fā)送的最后一個(gè)ACK報(bào)文段能夠到達(dá)服務(wù)器。因?yàn)檫@個(gè)ACK有可能丟失，從而導(dǎo)致處在LAST-ACK狀態(tài)的服務(wù)器收不到對(duì)FIN-ACK的確認(rèn)報(bào)文。服務(wù)器會(huì)超時(shí)重傳這個(gè)FIN-ACK，接著客戶端再重傳一次確認(rèn)，重新啟動(dòng)時(shí)間等待計(jì)時(shí)器。最后客戶端和服務(wù)器都能正常的關(guān)閉。假設(shè)客戶端不等待2MSL，而是在發(fā)送完ACK之后直接釋放關(guān)閉，一但這個(gè)ACK丟失的話，服務(wù)器就無法正常的進(jìn)入關(guān)閉連接狀態(tài)。

兩個(gè)理由：

1. 保證客戶端發(fā)送的最后一個(gè)ACK報(bào)文段能夠到達(dá)服務(wù)端。
   這個(gè)ACK報(bào)文段有可能丟失，使得處于LAST-ACK狀態(tài)的B收不到對(duì)已發(fā)送的FIN+ACK報(bào)文段的確認(rèn)，服務(wù)端超時(shí)重傳FIN+ACK報(bào)文段，而客戶端能在2MSL時(shí)間內(nèi)收到這個(gè)重傳的FIN+ACK報(bào)文段，接著客戶端重傳一次確認(rèn)，重新啟動(dòng)2MSL計(jì)時(shí)器，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(shí)間，而是發(fā)送完ACK報(bào)文段后立即釋放連接，則無法收到服務(wù)端重傳的FIN+ACK報(bào)文段，所以不會(huì)再發(fā)送一次確認(rèn)報(bào)文段，則服務(wù)端無法正常進(jìn)入到CLOSED狀態(tài)。
2. 防止“已失效的連接請(qǐng)求報(bào)文段”出現(xiàn)在本連接中。
   客戶端在發(fā)送完最后一個(gè)ACK報(bào)文段后，再經(jīng)過2MSL，就可以使本連接持續(xù)的時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的所有報(bào)文段都從網(wǎng)絡(luò)中消失，使下一個(gè)新的連接中不會(huì)出現(xiàn)這種舊的連接請(qǐng)求報(bào)文段。

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)？

理論上，四個(gè)報(bào)文都發(fā)送完畢，就可以直接進(jìn)入CLOSE狀態(tài)了，但是可能網(wǎng)絡(luò)是不可靠的，有可能最后一個(gè)ACK丟失。所以TIME_WAIT狀態(tài)就是用來重發(fā)可能丟失的ACK報(bào)文。

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，有助于大家理解三次握手和四次揮手的狀態(tài)變化。如下圖所示，粗的實(shí)線箭頭表示正常的客戶端狀態(tài)變遷，粗的虛線箭頭表示正常的服務(wù)器狀態(tài)變遷。

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

參考：《TCP/IP詳解 卷1:協(xié)議》