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[TCP] 2. 為什麼要知道 TCP 三次握手？三次握手過程為何？

為什麼知道 TCP handshake 很重要？​

  • 前端面試必考
  • 知道 TCP handshake 過程很複雜，每次建立所要花的時間和代價都很大，可以的話盡量減少 TCP handshake，以減少 network request 時間

為什麼要握手？​

在軟體中，handshake 表示一個信號 (signal)，表示 2 台設備或程式要進行身份驗證 (authenticate) or 合作 (coordinate) (詳見 Wiki - Handshake (computing) - Wikipedia )

當我們要握手時，身為 Client 的我們就是希望能與 Server 交互合作，那我們就要先驗明彼此的身份，並確定雙方能有效地交換資料和溝通


三次握手的詳細過程是什麼？​

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20231007/20148944ds1a2z5gA1.png

有三次握手的過程，分別是：

nth 握手目的
1stClient 想測試 Server 的接收能力
2nd
  • Server 讓 Client 知道：我能成功收到且正確的讀取你的訊息
  • Server 想測試 Client 的接收能力
    • 3rdClient 讓 Server 知道：我能成功收到且正確的讀取你的訊息



    比喻

    這就好比你在路上跟一個女生要了 Line，然後，然後想測試看看你傳訊息「你好」給她，她能不能正常回你， 而不是用機器人自動回覆「我要去洗澡喔」或是「你幫我去某某某網站幫我衝人氣好嗎？」，然後你也要回傳訊息給她，讓她知道你可以正常地跟她溝通


    真實世界TCP handshake
    1st你發訊息「安安，我是 Jason，妳好嗎？」給她，測試她會不會回你 lineClient 想測試 Server 的接收能力
    2nd她說「安安啊，我是 Ketty，你好嗎？」給你，表示她有讀懂你的訊息，且正常回你Server 讓 Client 知道，我能成功收到且正確的讀取你的訊息，並想測試 Client 的接收能力
    3rd你說「我很好，謝謝」讓他知道你有看懂她的訊息Client 讓 Server 知道，我能成功收到且正確的讀取你的訊息


    1st handshake​

    1st handshake 有 1 個目的：

    Client 想測試 Server 的接收能力

    Clinet 發送 SYN segment 給 Server，希望建立連結，並測試 Server 的接收能力


    SYN 是什麼？

    Synchronize Sequence Numbers，目的為確認雙方 sequence number 相同的資料



    傳送的資料：

    • 1 SYN segment，其 seq num = x
    Client 狀態：CLOSED -> SYN_SENT
    Server 狀態：LISTEN -> SYN_RCVD


    2nd handshake​

    2nd handshake 有 2 個目的：

    1. Server 讓 Client 知道：我能成功收到且正確的讀取你的訊息
    2. Server 想測試 Client 的接收能力

    1. Server 讓 Client 知道：我能成功收到且正確的讀取你的訊息​

    Server 接收到 Client 資料，成功讀取後，會傳送另一包資料給 Client，告訴 Client 我成功收到你的資料，”成功“ 在這有 2 個含義：

    • 我 ”收到“ Client 的資料
    • 我 "正確的讀取" Client 的資料

    故 Server 會對應 Client 傳送的資料回傳相關的結果，這裡回傳 ack = seq + 1

    傳送的資料：

    • 1 ACK segment，其 ack num = x + 1

    2. Server 想測試 Client 的接收能力​

    跟 1st handshake 的過程一樣，但傳送不同的 sequenceNumber

    傳送的資料：

    • 1 SYN segment，其 seq num = y
    Client 狀態：SYN_SENT -> ESTABLISHED
    Server 狀態：SYN_RCVD

    3rd handshake​

    3rd handshake 有 1 個目的：

    Client 讓 Server 知道：我能成功收到且正確的讀取你的訊息

    傳送的資料：

    • 1 ACK segment， 其 ack num = y + 1
    Client 狀態：ESTABLISHED
    Server 狀態：SYN_RCVD -> ESTABLISHED



    這 3 次 handshake 後，Client 和 Server 就能保證彼此的接收能力都是正常的了



    其他問題​


    為什麼要三次握手，兩次不行嗎？​

    如果少掉 3rd handshake，Server 就無法確認 Client 的接收能力是正常的， 那就無法穩定的傳輸，TCP protocal 的目的也就沒達成


    握手沒成功會怎樣嗎？​

    若握手沒成功，當 Client 發現 Server 沒有回傳 ACK segment， 就會重發 (retransmission) 重發的次數由 tcp_syn_retries 參數決定，默認是 6 次

    net.ipv4.tcp_syn_retries = 6

    重試的過程：

    • step 1：1s 後 Server 沒回傳 ACK，Client 重傳 SYN
    • step 2：若 Client 還是沒收到 ACK，重複步驟 1，但等待時間為 2s
    • step 3：若 Client 還是沒收到 ACK，重複步驟 1，但等待時間為 4s
    • step 4：若 Client 還是沒收到 ACK，重複步驟 1，但等待時間為 8s
    • step 5：若 Client 還是沒收到 ACK，重複步驟 1，但等待時間為 16s
    • step 6：若 Client 還是沒收到 ACK，重複步驟 1，但等待時間為 32s
    • setp 7：若 Client 還是沒收到 ACK，終止 3 way handshake

    即當 Server 沒有回傳 ACK，Client 會等待 2^n s 後重發，最多重發 6 次，若最後仍沒收到，就會終止傳輸的建立，全部的等待時間為:

    1 + 2 + 4 + 8 + 16 + 32 = 127

    故若等了 2 分鐘還是無法建立成功，就會終止


    結論​

    • 知道為什麼要建立 TCP handshake，是為了雙方知道彼此能正常接收和傳輸，且三次是最精簡的步驟
    • 知道 Server 和 Client 怎麼確保對方的接收和傳輸的流程
    • 知道握手過程失敗，會有 retransmission 的行為，持續 2 分鐘，若還是沒有成功就會終止


    參考資訊​