TCP 連線建立
當我們瀏覽網頁、傳送電子郵件或者進行線上遊戲時，我們常常不會想到背後複雜的網路連線過程。然而，正是這些看似不起眼的步驟，確保了我們與伺服器之間的穩定通訊。其中最重要的步驟之一就是TCP連線的建立，而其中的核心環節就是三次握手。
本文將詳細探討三次握手的原理、過程以及其重要性。我們將一步步解析為什麼需要三次握手，它如何保證連線的穩定性和可靠性，以及它對於資料傳輸的重要作用。透過深入理解三次握手，我們將更好地理解網路通訊的底層機制，並對TCP連線的可靠性有更清晰的認識。
TCP 三次握手過程和狀態變遷
TCP是一種面向連線的傳輸層協議，它在進行資料傳輸之前需要先建立連線。這個連線的建立過程是透過三次握手來完成的。
我們根據這幅圖詳細講解，每次連線中所傳送的TCP報文。
在最開始，客戶端和服務端都處於CLOSED狀態。首先，服務端主動監聽某個埠，處於LISTEN狀態，即伺服器必須處於啟動狀態。接下來，客戶端準備開始訪問網頁，需要與伺服器建立連線。第一次連線報文的格式如下：
客戶端在發起連線時，會隨機生成一個初始序號（client_isn），並將其放置在TCP首部的"序號"欄位中。同時，客戶端將SYN標誌位置為1，表示發出的報文是SYN報文。客戶端透過傳送第一個SYN報文給服務端，表明它希望與服務端建立連線。該報文不包含應用層資料（也就是傳送的資料）。此時，客戶端的狀態被標記為SYN-SENT。
當服務端收到客戶端的SYN報文時，首先服務端會隨機初始化自己的序號（server_isn），然後將該序號填入TCP首部的"序號"欄位中。接著，服務端將"確認應答號"欄位填入client_isn + 1，並將SYN和ACK標誌位都設定為1。最後，服務端將該報文傳送給客戶端，該報文不包含應用層資料（此時伺服器也沒資料可發）。此時，服務端處於SYN-RCVD狀態。
一旦客戶端收到服務端的報文，它需要做以下最佳化來回應最後一個應答報文：首先，客戶端將該應答報文的TCP首部的ACK標誌位設定為1；其次，客戶端在"確認應答號"欄位中填入server_isn + 1的值；最後，客戶端將報文傳送給服務端。此次報文可以攜帶客戶端到伺服器的資料。完成這些操作後，客戶端將進入ESTABLISHED狀態。
一旦伺服器收到客戶端的應答報文，它也會切換到 ESTABLISHED 狀態。
從上面的過程可以發現，在進行三次握手時，第三次握手是可以攜帶資料的，而前兩次握手則不可以。這也是面試中經常被問到的問題。一旦完成三次握手，雙方都會進入ESTABLISHED狀態，表示連線已經成功建立，此時客戶端和服務端就可以開始相互傳送資料了。
為什麼是三次握手？不是兩次、四次？
相信大家通常回答的是：“因為三次握手才能保證雙方具有接收和傳送的能力。”這個回答沒錯，但它只是表面上的原因，並沒有提出主要的原因。下面我將從三個方面分析三次握手的原因，加深我們對這個問題的理解。
- 三次握手可以有效地避免歷史重複連線的初始化（主要原因）
- 三次握手可以保證雙方都收到了可靠的初始序列號。
- 三次握手可以避免資源浪費。
原因一：避免歷史重複連線
簡單來說，三次握手的主要原因是為了避免舊的重複連線初始化造成混亂。在複雜的網路環境中，資料包的傳輸並不總是按照規定時間傳送到達目標主機，可能會因為網路擁堵等原因導致舊的資料包先到達目標主機。為了避免這種情況，TCP使用三次握手的方式來建立連線。
當客戶端連續傳送多個SYN建立連線的報文時，在網路擁堵等情況下，可能會出現以下情況：
- 舊的SYN報文比最新的SYN報文先到達服務端。
- 服務端收到舊的SYN報文後會回覆一個SYN + ACK報文給客戶端。
- 客戶端收到SYN + ACK報文後，根據自身的上下文判斷這是一個歷史連線（序列號過期或超時），然後傳送RST報文給服務端，表示中止這次連線。
如果是兩次握手的連線方式，就無法判斷當前連線是否是歷史連線。而三次握手可以在客戶端準備傳送第三次報文時，根據上下文判斷當前連線是否是歷史連線：
- 如果是歷史連線（序列號過期或超時），則第三次握手傳送的報文是RST報文，以中止歷史連線。
- 如果不是歷史連線，則第三次傳送的報文是ACK報文，通訊雙方成功建立連線。
因此，TCP使用三次握手的主要原因是為了防止歷史連線初始化了連線。
原因二：同步雙方初始序列號
TCP協議的通訊雙方都必須維護一個序列號，這是確保可靠傳輸的關鍵因素。序列號在TCP連線中扮演了重要角色，它具有以下作用：
● 接收方可以消除重複的資料，確保資料的準確性。
● 接收方可以按照序列號的順序接收資料包，保證資料的完整性。
● 序列號可以標識已經被對方接收的資料包，實現可靠的資料傳輸。
因此，在建立TCP連線時，客戶端傳送帶有初始序列號的SYN報文，並需要伺服器回覆一個ACK報文，表示成功接收了客戶端的SYN報文。然後，伺服器傳送帶有初始序列號的SYN報文給客戶端，並等待客戶端的應答，這樣一來一回，才能確保雙方的初始序列號能夠可靠地同步。
雖然四次握手也可以實現可靠地同步雙方的初始序列號，但由於第二步和第三步可以合併為一步，所以最終演變成了三次握手。而兩次握手只能保證一方的初始序列號被對方成功接收，無法保證雙方的初始序列號都能被確認接收。因此，三次握手是為了確保TCP連線的穩定性和可靠性而採取的最佳選擇。
原因三：避免資源浪費
如果只有"兩次握手"的話，當客戶端的SYN請求在網路中被阻塞時，客戶端無法接收到伺服器傳送的ACK報文，因此會重新傳送SYN。然而，由於沒有第三次握手，伺服器無法確定客戶端是否收到了建立連線的ACK確認訊號。因此，伺服器只能在收到每個SYN請求後主動建立一個連線。這將導致以下情況的發生：
資源浪費：如果客戶端的SYN請求被阻塞，導致重複傳送多個SYN報文，伺服器在收到請求後將建立多個冗餘的無效連線。這將導致伺服器資源的不必要浪費。
訊息滯留：由於缺乏第三次握手，伺服器無法知道客戶端是否正確接收到了建立連線的ACK確認訊號。因此，如果訊息在網路中出現滯留，客戶端將一直重複傳送SYN請求，導致伺服器不斷建立新的連線。這將增加網路擁塞和延遲，並對整個網路效能產生負面影響。
因此，為了確保網路連線的穩定性和可靠性，TCP使用了三次握手來建立連線，以避免以上問題的發生。
總結
TCP連線建立是透過三次握手來完成的。在三次握手過程中，客戶端首先傳送一個帶有SYN標誌的報文給伺服器，表示希望建立連線。伺服器接收到客戶端的請求後，回覆一個帶有SYN和ACK標誌的報文給客戶端，表示接受連線請求，併傳送自己的初始序列號。最後，客戶端再回復一個帶有ACK標誌的報文給伺服器，表示連線建立成功。這樣，雙方就進入了ESTABLISHED狀態，可以開始相互傳送資料。
總的來說，TCP連線建立的三次握手過程是為了確保連線的穩定性和可靠性，避免歷史連線的混亂和資源浪費，同時保證雙方都具備接收和傳送資料的能力。