计算机网络：三次握手的推导

前言

很多人在学习三次握手这个重要概念时通常都会死记硬背：先是 SYN，然后是 SYN-ACK，最后是 ACK。但是这种方式完全无法真正理解三次握手的含义。

为什么是三次？
为什么要三次握手？
为什么是 SYN-ACK？

这篇文章会带你完整的推导整个三次握手，让你能真正理解这个概念。

在学习 TCP 协议时候，很重要的一个概念就是三次握手。TCP 协议是面向连接的协议，所谓面向连接就是在通信之前，通信双方必须先建立一个连接，建立连接的过程就是三次握手。

TCP 到底想解决什么

TCP 底层的 IP 协议是无连接的协议，也就是说在传输数据包时 IP 不关心包有没有送到，顺序是否正确，以及有没有重复送。

而 TCP 希望能够给上面的应用层提供可靠有序的传输，因此想到了一个办法：给每个字节编号。

包乱序到达 → 按编号重排
包丢了 → 发现编号有缺口，要求重传
包重复了 → 编号重复，丢弃一份

于是问题变成了

既然一切都要靠编号，那么双方在传数据前，双方必须先就”编号从几开始”达成一致。三次握手就是干这个的，它不是什么礼节性的问候，它是在同步序号。

因此有了 ISN（Initial Sequence number）初始序列号。TCP 协议是全双工的，所以 ISN 有两个：客户端一个，服务端一个。

为什么是三次握手？

四个动作

为了同步 ISN，客户端和服务端都必须发送自己的 ISN 并且告诉对方自己收到了对方发送的 ISN。所以过程可以拆成四个动作：

客户端发出自己的 ISN —— SYN
服务端确认客户端的 ISN —— ACK
服务端发出自己的 ISN —— SYN
客户端确认服务端的 ISN —— ACK

三个报文

可以注意到我们可以把服务端的第 2、3 步合并成一个，所以我们把 SYN 和 ACK 塞进同一个报文里就可以了，这就是 SYN-ACK 报文的由来。于是四个动作合并成了三个报文：

SYN —— 客户端 → 服务端
SYN-ACK —— 服务端 → 客户端
ACK —— 客户端 → 服务端

可以发现，现在缺少任何一个报文都会导致双方之一无法完成发送或确认。

也就是说

「三次」不是某个人拍脑袋定的规矩，而是「双向同步序号」这个需求所需的最小报文数。

核心序号数字

在 SYN 和 ACK 报文中最关键的两个数字是 seq 和 ack。

seq（Sequence Number，序列号）：初始时这个号码是服务器随机生成的 32 位数字。在数据传输中代表了本次发送数据的首字节编号。
ack（Acknowledgment Number，确认号）：他告诉对方自己已经收到了发送过来的包，所以它代表自身下一个期待收到的序号，所以它 = 对方的 seq + 已收到的数据长度。

然而在握手挥手阶段，由于报文本身不带有数据，但是会虚拟占用一个字节，所以公式为 ack = seq + 1。

具体流程

以下就是具体三次握手的过程：

sequenceDiagram
    participant C as 客户端
    participant S as 服务端
    Note left of C: CLOSED
    Note right of S: LISTEN
    C->>S: ① SYN　seq=100
    Note left of C: SYN-SENT
    Note right of S: SYN-RECEIVED
    S->>C: ② SYN,ACK　seq=300　ack=101
    Note left of C: ESTABLISHED
    C->>S: ③ ACK　seq=101　ack=301
    Note right of S: ESTABLISHED

三个报文里的数字，逐个拆开看：

seq=100：客户端把自己的 ISN 定为 100，等于告诉服务端「我这边的数据从 100 号字节开始编号」。

服务端一个报文干两件事：

seq=300：服务端向客户端发送自己的 ISN。
ack=101：SYN 报文虚占一个字节，100 已经被用掉了，所以服务端告诉客户端「我收到了你的报文，接下来你从 101 发就可以了」，这同时也确认了 ①。

seq=101：客户端收到了服务端的 ack，按照约定从 101 开始发。
ack=301：同理，300 被服务端的 SYN 用掉了，告诉服务端下一个序号从 301 发即可，这确认了 ②。

一句话概括这套数字的规律

ack 永远等于「我期待你下次发来的第一个字节的编号」，而握手报文虽然不带数据，却各自虚占一个字节，于是 ack = 对方 seq + 1。

注意

真实的 ISN 不是 100 和 300，而是随机的。如果 ISN 时刻推算的，则攻击者可很轻易的伪造出属于这条连接的合法报文。

总结

看到这里你应该能完全彻底明白什么是三次握手。这个概念并不难，只不过需要一次推导就能记住。最重要的是明白为什么需要三次握手，为什么是三次的这个本质。

接下来你应该能回答以下几个问题：

三次握手最核心的目的是什么？

同步双方各自的初始序号 ISN

为什么是三次握手？

因为服务端的 SYN 和 ACK 可以合并成一个报文

如果握手只做两次（SYN、SYN-ACK）会怎么样？

服务端的 ISN 没有得到确认

客户端 ISN=500，那么服务端 SYN-ACK 报文里的 ack 字段是多少？

501，因为 SYN 虚拟占用一个字节

为什么 TCP 的初始序号 ISN 必须是随机的？

防止攻击者伪造该连接的报文