面试官,不要再问我三次握手和四次挥手

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在面试中你是否遇到如下问题?

多选 公开 永不结束 14 票
1. 请画出三次握手和四次挥手的示意图
50% 7 票
2. 为什么连接的时候是三次握手?断开是四次挥手?
28% 4 票
3. 如果第三次握手丢失了,客户端服务端会如何处理?
21% 3 票

三次握手和四次挥手是各个公司常见的考点,也具有一定的水平区分度,也被一些面试官作为热身题。很多小伙伴说这个问题刚开始回答的挺好,但是后面越回答越冒冷汗,最后就歇菜了。

见过比较典型的面试场景是这样的:

面试官:请介绍下三次握手
求职者:第一次握手就是客户端给服务器端发送一个报文,第二次就是服务器收到报文之后,会应答一个报文给客户端,第三次握手就是客户端收到报文后再给服务器发送一个报文,三次握手就成功了。
面试官:然后呢?
求职者:这就是三次握手的过程,很简单的。
面试官:。。。。。。
番外篇:一首凉凉送给你

记住猿人谷一句话:面试时越简单的问题,一般就是隐藏着比较大的坑,一般都是需要将问题扩展的。上面求职者的回答不对吗?当然对,但距离面试官的期望可能还有点距离。

希望大家能带着如下问题进行阅读,收获会更大。

  1. 请画出三次握手和四次挥手的示意图
  2. 为什么连接的时候是三次握手?
  3. 什么是半连接队列?
  4. ISN(Initial Sequence Number)是固定的吗?
  5. 三次握手过程中可以携带数据吗?
  6. 如果第三次握手丢失了,客户端服务端会如何处理?
  7. SYN 攻击是什么?
  8. 挥手为什么需要四次?
  9. 四次挥手释放连接时,等待 2MSL 的意义?

三次握手和四次挥手.png

1. 三次握手

三次握手(Three-way Handshake)其实就是指建立一个 TCP 连接时,需要客户端和服务器总共发送 3 个包。进行三次握手的主要作用就是为了确认双方的接收能力和发送能力是否正常、指定自己的初始化序列号为后面的可靠性传送做准备。实质上其实就是连接服务器指定端口,建立 TCP 连接,并同步连接双方的序列号和确认号,交换 TCP窗口大小 信息。

刚开始客户端处于 Closed 的状态,服务端处于 Listen 状态。
进行三次握手:

发送第一个 SYN 的一端将执行主动打开(active open),接收这个 SYN 并发回下一个 SYN 的另一端执行被动打开(passive open)。

在 socket 编程中,客户端执行 connect()时,将触发三次握手。

三次握手.png

1.1 为什么需要三次握手,两次不行吗?

弄清这个问题,我们需要先弄明白三次握手的目的是什么,能不能只用两次握手来达到同样的目的。

因此,需要三次握手才能确认双方的接收与发送能力是否正常。

试想如果是用两次握手,则会出现下面这种情况:

如客户端发出连接请求,但因连接请求报文丢失而未收到确认,于是客户端再重传一次连接请求。后来收到了确认,建立了连接。数据传输完毕后,就释放了连接,客户端共发出了两个连接请求报文段,其中第一个丢失,第二个到达了服务端,但是第一个丢失的报文段只是在某些网络结点长时间滞留了,延误到连接释放以后的某个时间才到达服务端,此时服务端误认为客户端又发出一次新的连接请求,于是就向客户端发出确认报文段,同意建立连接,不采用三次握手,只要服务端发出确认,就建立新的连接了,此时客户端忽略服务端发来的确认,也不发送数据,则服务端一致等待客户端发送数据,浪费资源。

1.2 什么是半连接队列?

服务器第一次收到客户端的 SYN 之后,就会处于 SYN_RCVD 状态,此时双方还没有完全建立其连接,服务器会把此种状态下请求连接放在一个队列里,我们把这种队列称之为半连接队列

当然还有一个全连接队列,就是已经完成三次握手,建立起连接的就会放在全连接队列中。如果队列满了就有可能会出现丢包现象。

这里在补充一点关于 SYN-ACK 重传次数的问题:
服务器发送完 SYN-ACK 包,如果未收到客户确认包,服务器进行首次重传,等待一段时间仍未收到客户确认包,进行第二次重传。如果重传次数超过系统规定的最大重传次数,系统将该连接信息从半连接队列中删除。
注意,每次重传等待的时间不一定相同,一般会是指数增长,例如间隔时间为 1s,2s,4s,8s......

1.3 ISN(Initial Sequence Number)是固定的吗?

当一端为建立连接而发送它的 SYN 时,它为连接选择一个初始序号。ISN 随时间而变化,因此每个连接都将具有不同的 ISN。ISN 可以看作是一个 32 比特的计数器,每 4ms 加 1 。这样选择序号的目的在于防止在网络中被延迟的分组在以后又被传送,而导致某个连接的一方对它做错误的解释。

三次握手的其中一个重要功能是客户端和服务端交换 ISN(Initial Sequence Number),以便让对方知道接下来接收数据的时候如何按序列号组装数据。如果 ISN 是固定的,攻击者很容易猜出后续的确认号,因此 ISN 是动态生成的。

1.4 三次握手过程中可以携带数据吗?

其实第三次握手的时候,是可以携带数据的。但是,第一次、第二次握手不可以携带数据

为什么这样呢?大家可以想一个问题,假如第一次握手可以携带数据的话,如果有人要恶意攻击服务器,那他每次都在第一次握手中的 SYN 报文中放入大量的数据。因为攻击者根本就不理服务器的接收、发送能力是否正常,然后疯狂着重复发 SYN 报文的话,这会让服务器花费很多时间、内存空间来接收这些报文。

也就是说,第一次握手不可以放数据,其中一个简单的原因就是会让服务器更加容易受到攻击了。而对于第三次的话,此时客户端已经处于 ESTABLISHED 状态。对于客户端来说,他已经建立起连接了,并且也已经知道服务器的接收、发送能力是正常的了,所以能携带数据也没啥毛病。

1.5 SYN 攻击是什么?

服务器端的资源分配是在二次握手时分配的,而客户端的资源是在完成三次握手时分配的,所以服务器容易受到 SYN 洪泛攻击。SYN 攻击就是 Client 在短时间内伪造大量不存在的 IP 地址,并向 Server 不断地发送 SYN 包,Server 则回复确认包,并等待 Client 确认,由于源地址不存在,因此 Server 需要不断重发直至超时,这些伪造的 SYN 包将长时间占用未连接队列,导致正常的 SYN 请求因为队列满而被丢弃,从而引起网络拥塞甚至系统瘫痪。SYN 攻击是一种典型的 DoS/DDoS 攻击。

检测 SYN 攻击非常的方便,当你在服务器上看到大量的半连接状态时,特别是源 IP 地址是随机的,基本上可以断定这是一次 SYN 攻击。在 Linux/Unix 上可以使用系统自带的 netstats 命令来检测 SYN 攻击。

netstat -n -p TCP | grep SYN_RECV

常见的防御 SYN 攻击的方法有如下几种:

2. 四次挥手

建立一个连接需要三次握手,而终止一个连接要经过四次挥手(也有将四次挥手叫做四次握手的)。这由 TCP 的半关闭(half-close)造成的。所谓的半关闭,其实就是 TCP 提供了连接的一端在结束它的发送后还能接收来自另一端数据的能力。

TCP 的连接的拆除需要发送四个包,因此称为四次挥手(Four-way handshake),客户端或服务器均可主动发起挥手动作。

刚开始双方都处于 ESTABLISHED 状态,假如是客户端先发起关闭请求。四次挥手的过程如下:

收到一个 FIN 只意味着在这一方向上没有数据流动。客户端执行主动关闭并进入 TIME_WAIT 是正常的,服务端通常执行被动关闭,不会进入 TIME_WAIT 状态。

在 socket 编程中,任何一方执行 close()操作即可产生挥手操作。
image.png

2.1 挥手为什么需要四次?

因为当服务端收到客户端的 SYN 连接请求报文后,可以直接发送 SYN+ACK 报文。其中 ACK 报文是用来应答的,SYN 报文是用来同步的。但是关闭连接时,当服务端收到 FIN 报文时,很可能并不会立即关闭 SOCKET,所以只能先回复一个 ACK 报文,告诉客户端,"你发的 FIN 报文我收到了"。只有等到我服务端所有的报文都发送完了,我才能发送 FIN 报文,因此不能一起发送。故需要四次挥手。

2.2 2MSL 等待状态

TIME_WAIT 状态也成为 2MSL 等待状态。每个具体 TCP 实现必须选择一个报文段最大生存时间 MSL(Maximum Segment Lifetime),它是任何报文段被丢弃前在网络内的最长时间。这个时间是有限的,因为 TCP 报文段以 IP 数据报在网络内传输,而 IP 数据报则有限制其生存时间的 TTL 字段。

对一个具体实现所给定的 MSL 值,处理的原则是:当 TCP 执行一个主动关闭,并发回最后一个 ACK,该连接必须在 TIME_WAIT 状态停留的时间为 2 倍的 MSL。这样可让 TCP 再次发送最后的 ACK 以防这个 ACK 丢失(另一端超时并重发最后的 FIN)。

这种 2MSL 等待的另一个结果是这个 TCP 连接在 2MSL 等待期间,定义这个连接的插口(客户的 IP 地址和端口号,服务器的 IP 地址和端口号)不能再被使用。这个连接只能在 2MSL 结束后才能再被使用。

2.3 四次挥手释放连接时,等待 2MSL 的意义?

MSL 是 Maximum Segment Lifetime 的英文缩写,可译为“最长报文段寿命”,它是任何报文在网络上存在的最长时间,超过这个时间报文将被丢弃。

为了保证客户端发送的最后一个 ACK 报文段能够到达服务器。因为这个 ACK 有可能丢失,从而导致处在 LAST-ACK 状态的服务器收不到对 FIN-ACK 的确认报文。服务器会超时重传这个 FIN-ACK,接着客户端再重传一次确认,重新启动时间等待计时器。最后客户端和服务器都能正常的关闭。假设客户端不等待 2MSL,而是在发送完 ACK 之后直接释放关闭,一但这个 ACK 丢失的话,服务器就无法正常的进入关闭连接状态。

两个理由:

  1. 保证客户端发送的最后一个 ACK 报文段能够到达服务端。
    这个 ACK 报文段有可能丢失,使得处于 LAST-ACK 状态的 B 收不到对已发送的 FIN+ACK 报文段的确认,服务端超时重传 FIN+ACK 报文段,而客户端能在 2MSL 时间内收到这个重传的 FIN+ACK 报文段,接着客户端重传一次确认,重新启动 2MSL 计时器,最后客户端和服务端都进入到 CLOSED 状态,若客户端在 TIME-WAIT 状态不等待一段时间,而是发送完 ACK 报文段后立即释放连接,则无法收到服务端重传的 FIN+ACK 报文段,所以不会再发送一次确认报文段,则服务端无法正常进入到 CLOSED 状态。
  2. 防止“已失效的连接请求报文段”出现在本连接中。
    客户端在发送完最后一个 ACK 报文段后,再经过 2MSL,就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失,使下一个新的连接中不会出现这种旧的连接请求报文段。

2.4 为什么 TIME_WAIT 状态需要经过 2MSL 才能返回到 CLOSE 状态?

理论上,四个报文都发送完毕,就可以直接进入 CLOSE 状态了,但是可能网络是不可靠的,有可能最后一个 ACK 丢失。所以 TIME_WAIT 状态就是用来重发可能丢失的 ACK 报文

3. 总结

《TCP/IP 详解 卷 1:协议》有一张 TCP 状态变迁图,很具有代表性,有助于大家理解三次握手和四次挥手的状态变化。如下图所示,粗的实线箭头表示正常的客户端状态变迁,粗的虚线箭头表示正常的服务器状态变迁。

TCP 状态变迁图.jpg

以后面试官再问你三次握手和四次挥手,直接把这一篇文章丢给他就可以了,他想问的都在这里。

参考:《TCP/IP 详解 卷 1:协议》

  • Java

    Java 是一种可以撰写跨平台应用软件的面向对象的程序设计语言,是由 Sun Microsystems 公司于 1995 年 5 月推出的。Java 技术具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性。

    2710 引用 • 7990 回帖 • 777 关注
  • 面试

    面试造航母,上班拧螺丝。多面试,少加班。

    271 引用 • 1353 回帖 • 214 关注
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MiracleHe 在 2019-10-31 11:35:02 更新了该帖

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9 回帖
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  • ferried

    不,不能跟你握手。

    1 回复
  • MiracleHe

    是不是不能跟你握手,不然还得四次挥手 😄

  • visus

    要记得洗手

  • MiracleHe

    知乎那个链接是转载我的文章,看有在文章下面注明来源。
    csdn 的链接就是我的博客 😄
    其实我很喜欢 黑客派 这个网站,特别是大爱编辑器 👍 ,只是感觉网站流量好像不大(只是根据我发帖的访问量得出的结论,不一定准确)。

    1 回复
  • 88250

    目前社区的流量确实不大,或者说很小吧(日 IP 大约在 6K 左右),但我有信心,假以时日一定会让更多人知道并爱上这里的 😄

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    1 回复
  • MiracleHe

    我就是一进来,就爱上了这里 😄
    而且这里的氛围也很友善,没什么杠精,留言区也很和谐。
    加油!黑客派雄起!
    可以占大佬一个微信好友位吗?方便交流(技术交流,绝不推销啥或广告)。

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  • 88250

    谢谢支持啦。我不用微信,如果有需要可以在这里私信我 🙏

    1 回复
  • MiracleHe 1

    我是公众号猿人谷的号主,如需要宣传黑客派,可以免费宣传宣传 👌
    黑客派,加油!

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