图解网络：TCP三次握手背后的原理，为啥两次握手不可以？

2022-07-05 23:15:39 浏览数 (1)

你好，这里是网络技术联盟站。

TCP是 Internet 协议套件的主要协议之一，它位于应用层和网络层之间，用于提供可靠的连接服务，是一种面向连接的通信协议，有助于通过网络在不同设备之间交换消息。

提到TCP，那么一定就会提到TCP的三次握手，这个是TCP连接核心中的核心，那么TCP三次握手是怎么样的过程，有什么优秀的设计之处呢？

今天瑞哥带您用图解的形式好好的解释一波，让我们直接开始吧。

什么是TCP？

  • 英文全称：Transmission Control Protocol
  • 中文名称：传输控制协议
TCPTCP

TCP是一种面向连接的协议，可确保将数据完整地传送到其目的地，TCP 首先通过使用 TCP 三向握手与每个主机上的 TCP 端口建立会话，然后它以数据包的形式传输数据，每个数据包都有一个序列号，当在目的地收到数据包时，TCP 会向发送主机生成确认，如果未收到序列中的数据包，则发送主机上的 TCP 在一定时间间隔后重新传输数据包。

TCP三次握手

TCP 在建立和关闭两个设备之间的连接期间会发生 3 次握手过程，也就是建立和关闭连接需要经历三个步骤，下面我们来详细的了解一下这三个过程。

生活中的三次握手

我们先以生活中的例子形象的说明一下三次握手过程：

生活中的三次握手生活中的三次握手

小明想打电话给小美，但是不确定对方是不是小美，所以会经历以下过程：

  • 小明：你好，请问是小美吗？【第一次握手】
  • 小美：是的，我是小美。【第二次握手】
  • 小明：好的，我知道你是小美了。【第三次握手】

经历三次握手后，小明可以可以很明确的确定对方就是小美，非常可靠！

假如只有一次握手，那么小明问完“你好，请问是小美吗？”，小明压根不确定对方有没有收到这个问候，更不要谈对方是否是小美了。

假如只有两次握手，那么小明收到小美的“是的，我是小美。”的回复后，小美是不知道小明是否收到她的回复，所以接下来她不确定是否要跟电话中询问她的人通信。

所以三次握手刚刚好。

专业角度的三次握手

下面我们来看下专业的三次握手。

三次握手涉及到的专业名词
  • 服务端：服务端是专用于运行服务以满足其他计算机需求的物理计算机
客户端-服务端客户端-服务端
  • 客户端：客户端是访问服务器提供的服务的计算机硬件设备或软件
  • SYN：同步序列号（Synchronize Sequence Number），这是从客户端到服务端的第一个数据包，可以描述为建立连接的请求，如果 SYN 为 1，则表示设备要建立安全连接，否则不。
SYN抓包SYN抓包
  • ACK：确认（Acknowledgement），可以说是SYN的响应，如果 ACK 为 1，则设备已收到 SYN 消息并确认，否则没有。
ACK抓包ACK抓包
三次握手步骤
三次握手步骤三次握手步骤

第一步：客户端将 SYN 标志设置为 1 将消息发送到服务端。

第二步：服务端通过将 ACK 标志设置为 1 来确认客户端请求。

第三步：客户端收到来自服务端的同步（SYN）后，向服务端发送确认（ACK）。

从客户端得到（ACK）后，客户端和服务端之间建立连接，现在数据可以在客户端和服务器端之间传输。

更详细的过程
三次握手更详细的过程三次握手更详细的过程
  • 第一步：TCP客户端向服务端发送 TCP SYN 数据包来开始连接，数据包包含一个随机序列号n，它表示客户端应传输的数据的序列号的开始。
  • 第二步：服务端收到数据包，并用它的序列号（m）进行响应，它的响应还包括确认号，即客户端的序列号加 1，此处为n 1。
  • 第三步：客户端通过发送确认号来响应服务器，该确认号是服务端的序列号加 1，此处为m 1.

TCP三次握手抓包分析

再多的理论不经过实践都是徒劳，所以验证我们理论的最好的方式就是抓包看一下TCP三次握手过程。

TCP三次握手抓包分析TCP三次握手抓包分析

如图，主机172.16.16.128:2826和主机212.58.226.142:80建立三次握手过程：

  • 第一步：主机172.16.16.128:2826向主机212.58.226.142:80发送SYN Seq=0
  • 第二步：主机212.58.226.142:80向主机172.16.16.128:2826发送SYN,ACK Seq=0，Ack=1
  • 第三步：主机172.16.16.128:2826向主机212.58.226.142:80发送ACK Seq=1，Ack=1

这就是详细的三次握手报文，我觉得此时此刻，大家可以打开自己的wireshark抓包工具尽情的体验一下TCP三次握手的神奇之处了。

TCP窗口

大家在看上图中的wireshark抓包截图的时候，肯定注意到了Win=8192的字眼，这个就是TCP窗口。

客户端向服务端发送一堆数据，然后服务端验证所有数据包级别的校验和并发送一个ACK数据包，表明一切数据都已正确接收。

如果没有收到所有内容，则需要重新传输部分或全部数据，每个设备都维护一个所有数据的缓冲区，以防需要再次发送，接收到 ACK 数据包意味着设备可以将旧数据从缓冲区中清除。

TCP 窗口TCP 窗口

TCP 窗口就是在接收到 ACK 之前可以发送的最大字节数。

如果网络不可靠，最好将TCP 窗口设置小一点，这样，如果出现问题，就不必重新传输非常大的数据。

TCP还有一个绝佳的设计，那就是滑动窗口，即设备可以动态更改窗口大小，在拥塞时将窗口缩小，在正常时将窗口放大。

其他参数

抓包截图中不仅仅有TCP 窗口，还有其他的参数：

  • MSS (Maximum Segment Size)，最大段大小。
  • WS (Windows Scaling)，用于控制最大 TCP 接收窗口大小。

TCP为什么不能二次握手建立连接

我们要知道Server 和 Client 想要建立连接，必须满足以下四个条件：

  1. 服务端需要确认服务端可以从客户端接收数据包
  2. 客户端需要确认客户端可以从服务端接收数据包
  3. 客户端需要确认服务端可以从客户端接收数据包
  4. 服务端需要确认客户端可以从服务端接收数据包

四个条件看起来很绕，其实说白了就是：

  • 小明问：“你好，请问时小美吗？”：发送成功后，小明确定可以他从小美接收信息，验证了第一个条件【服务端需要确认服务端可以从客户端接收数据包】
  • 小美回：“是的，我是小美”：发送成功后，小美确定她可以从小明接收信息，也能确认小明可以从她这边接收信息，验证了第二、第三个条件【客户端需要确认客户端可以从服务端接收数据包】【客户端需要确认服务端可以从客户端接收数据包】
  • 小明回：“好的，我知道你是小美了”：发送成功后，小明确定可以小美可以从他这边接收信息，验证了四个条件【服务端需要确认客户端可以从服务端接收数据包】

TCP 是一种双向通信协议，这意味着任何一端都应该能够可靠地发送数据，所以三次握手刚刚好。

总结

TCP 3 次握手用于创建安全可靠的通信连接，本文结合生活中的例子，生动形象的解释了三次握手的过程，主要内容如下：

  • 什么是TCP？
  • TCP三次握手
    • 生活中的三次握手
    • 专业角度的三次握手
  • TCP三次握手抓包分析
    • TCP窗口
    • 其他参数
  • TCP为什么不能二次握手建立连接
  • 总结

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