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TCP 三次握手过程详解

一、TCP握手基础概念

1.1 什么是TCP握手

TCP三次握手是传输控制协议(Transmission Control Protocol)在建立连接时的标准过程，目的是确保通信双方具备可靠的双向通信能力。

关键结论：三次握手的本质是通过序列号同步和能力协商建立可靠的逻辑连接。

1.2 握手必要性

• 解决网络延迟导致的重复分组问题
• 确认双方的发送/接收能力正常
• 协商初始序列号(Sequence Number)
• 避免历史连接造成的资源浪费

二、三次握手详细过程

2.1 第一次握手（SYN）

客户端发送：

• SYN=1（同步标志位）
• 随机生成初始序列号（seq=x）
• 不携带应用层数据

Client -> Server: [SYN] Seq=x

2.2 第二次握手（SYN-ACK）

服务器响应：

• SYN=1 + ACK=1
• 确认号ack=x+1
• 随机生成服务端序列号seq=y

Server -> Client: [SYN, ACK] Seq=y, Ack=x+1

2.3 第三次握手（ACK）

客户端确认：

• ACK=1
• seq=x+1
• ack=y+1
• 可开始携带应用层数据

Client -> Server: [ACK] Seq=x+1, Ack=y+1

关键结论：第三次握手解决了"延迟的SYN包"可能导致的连接冲突问题。

三、技术深度解析

3.1 序列号机制

• 初始序列号(ISN)采用基于时钟的随机算法
• 32位循环序列号空间处理序列号回绕
• 严格递增机制防止报文重放攻击

3.2 状态机变迁

3.3 内核实现要点

1. 半连接队列（SYN Queue）

   • 存储未完成握手的连接
   • 受tcp_max_syn_backlog参数控制

2. 全连接队列（Accept Queue）

   • 存储已完成握手的连接
   • 受somaxconn参数限制

四、常见面试问题

4.1 为什么不是两次握手？

关键结论：两次握手无法防止失效的连接请求突然到达服务端，可能导致资源浪费和错误连接建立。

4.2 SYN Flood攻击原理

• 攻击者发送大量SYN包但不完成握手
• 耗尽服务端的半连接队列资源
• 防御方案：
  • SYN Cookie机制
  • 增加队列容量
  • 启用tcp_syncookies

4.3 握手阶段的超时控制

• 首次SYN超时：tcp_syn_retries（默认6次）
• SYN-ACK重传：tcp_synack_retries（默认5次）
• 半连接存活时间：tcp_synack_retries * 3s

五、性能优化实践

5.1 减少握手延迟

• TCP Fast Open（TFO）
• TCP_DEFER_ACCEPT选项
• 调整tcp_syn_retries值

5.2 内核参数调优

# 查看当前配置
sysctl -a | grep tcp
# 修改半连接队列大小
echo 2048 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog

六、WireShark抓包分析

典型握手报文特征：

1. 第一次握手：Flags [S]
2. 第二次握手：Flags [S.]
3. 第三次握手：Flags [.]

关键结论：通过Sequence/Ack Number的递增关系可以验证握手过程的正确性。

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这份文档涵盖了从基础概念到内核实现的完整知识体系，建议面试者结合具体网络环境理解握手过程的动态特性。实际面试中可配合画图说明各阶段状态变化。