TCP 连接管理 之 三次握手详解

TCP 连接管理 之 三次握手详解

（一）TCP三次握手详细过程及状态变化

1. 第一次握手（客户端 → 服务器）

• 报文标志位：SYN=1（同步序列号），ACK=0（首次握手无确认）
• 序列号：客户端随机生成初始序列号（例如 seq=x）
• 过程：客户端发送SYN报文，进入SYN_SENT状态
• 状态变化：
  • 客户端：CLOSED → SYN_SENT
  • 服务器：LISTEN（等待连接）

2. 第二次握手（服务器 → 客户端）

• 报文标志位：SYN=1，ACK=1（确认客户端的SYN）
• 序列号：服务器随机生成初始序列号（例如 seq=y），确认号为 ack=x+1（第一次握手不携带数据，但SYN=1会消耗一个序列号）
• 过程：服务器发送SYN+ACK报文，进入SYN_RCVD状态
• 状态变化：
  • 服务器：LISTEN → SYN_RCVD
  • 客户端：保持SYN_SENT

3. 第三次握手（客户端 → 服务器）

• 报文标志位：ACK=1，SYN=0（非同步）
• 序列号：seq=x+1（收到的确认号），确认号为 ack=y+1（第二次握手不携带数据，但SYN=1会消耗一个序列号）
• 过程：客户端发送ACK报文，双方进入ESTABLISHED状态
• 状态变化：
  • 客户端：SYN_SENT → ESTABLISHED
  • 服务器：SYN_RCVD → ESTABLISHED

（二）连接建立后数据传输的序列号规则

1. 客户端先发送数据

• 客户端发送数据：
  • seq=x+1（第三次握手没有数据部分，沿用第三次握手的序列号）
  • ack=y+1（保持对服务器序列号的确认）
• 服务器响应ACK：
  • seq=y+1（服务器初始序列号+1）
  • ack=x+1+数据长度（确认客户端数据）

2. 服务器先推送数据

• 服务器发送数据：
  • seq=y+1（握手最后使用的序列号）
  • ack=x+1（第三次握手没有数据部分，保持对客户端序列号的确认）
• 客户端响应ACK：
  • seq=x+1（客户端初始序列号+1）
  • ack=y+1+数据长度（确认服务器数据）

3. 关键点总结

1. 初始序列号：双方随机生成，防止历史连接冲突。
2. ACK确认机制：总是对已接收数据长度+1进行确认（期待下一个字节的序列号）。
3. 数据传输：先发送数据的一方使用自己最后一次ACK的序列号作为起始值。

（三）TCP三次握手服务端资源建立的详细过程

1. 服务端内核在第一次握手（收到客户端的SYN报文）时为客户端生成套接字

2. 详细过程分析

① 第一次握手前（服务端状态：LISTEN）

• 服务端调用listen()后，进入LISTEN状态，此时仅有一个监听套接字（Listening Socket），用于接收所有客户端的连接请求。
• 监听套接字不直接关联具体客户端，而是等待SYN报文触发新连接。

② 第一次握手（客户端发送SYN，服务端收到）

• 内核动作：
  当服务端内核收到客户端的SYN报文（标志位SYN=1）时，会立即创建一个普通套接字（Socket），称为未完成连接套接字（Incomplete Connection Socket），并进入SYN_RCVD状态。

  该套接字记录客户端的IP、端口、初始序列号（client_isn）等信息。
  此时套接字尚未完全建立（未通过第三次握手），但已占用资源（进入了半连接队列）。

• 为什么此时生成？

  资源预留：为防止SYN Flood攻击，内核需要限制半连接队列大小（net.ipv4.tcp_max_syn_backlog）。
  状态跟踪：服务端需维护客户端的seq和连接状态，以完成后续握手。

③ 第二次握手（服务端发送SYN+ACK）

• 服务端使用新生成的套接字发送SYN+ACK（seq=server_isn, ack=client_isn+1），但仍处于SYN_RCVD状态。
• 此时套接字仍在半连接队列中，等待客户端的最终ACK。

④ 第三次握手（客户端发送ACK，连接完成）

• 服务端收到ACK后，将套接字从半连接队列移到全连接队列（Accept Queue），状态变为ESTABLISHED。
• 当服务端应用调用accept()时，从全连接队列中取出该套接字，交给应用程序使用。

3. 总结

阶段	服务端动作	套接字状态
第一次握手前	仅有监听套接字（LISTEN）	无客户端套接字
第一次握手	收到SYN后，内核生成新套接字	半连接队列（SYN_RCVD）
第三次握手后	套接字移至全连接队列，等待accept()	可用的ESTABLISHED套接字

① 为什么不在第三次握手后再生成套接字？

• 如果在第三次握手后才生成，服务端无法在第二次握手时发送SYN+ACK（需要记录客户端信息）。
• 提前生成可确保资源分配和状态跟踪，但需防范SYN Flood攻击（通过半连接队列限制）。

② 半连接队列 vs 全连接队列

• 半连接队列（SYN Queue）：存储未完成三次握手的套接字（SYN_RCVD状态），队列大小由net.ipv4.tcp_max_syn_backlog参数决定。
• 全连接队列（Accept Queue）：存储已完成握手但未被accept()的套接字（ESTABLISHED状态），队列大小由backlog参数和net.core.somaxconn决定。

③ 如果第三次握手的ACK丢失怎么办？

• 服务端会重传SYN+ACK（次数由net.ipv4.tcp_synack_retries控制），超时后删除半连接套接字。