一、序
當我們聊到 TCP 協議的時候，聊的最多的就是三次握手與四次揮手，但是你有沒有想過，三次握手或者四次揮手時，如果發生異常了，是如何處理的？又是由誰來處理？
TCP 作為一個靠譜的協議，在傳輸數據的前后，需要在雙端之間建立連接，並在雙端各自維護連接的狀態。TCP 並沒有什么特別之處，在面對着多變的網絡情況，也只能通過不斷的重傳和各種算法來保證可靠性。
建立連接前，TCP 會通過三次握手來保證雙端狀態正確，然后就可以正常傳輸數據了，在數據傳輸完畢后，又通過四次揮手來保證雙端合理的斷開連接並回收各自的資源。
我們在學習 TCP 建連和斷連時，都是一個標准的流程，但是網絡是多變的，很多時候並不像教科書那樣標准，那么今天就來聊聊 TCP 三次握手出現異常的時候，是如何處理的。
二、TCP 三次握手
2.1 簡單理解三次握手
雖然是說三次握手的異常情況，我們還是先來了解一下三次握手。
在通過 TCP 傳輸數據時，第一步就是要先建立一個連接。TCP 建立連接的過程，就是我們常說的三次握手。
我們經常將三次握手，描述成「請求 → 應答 → 應答之應答」。
至於 TCP 握手為什么是三次，其實就是要讓雙端都經歷一次「請求 → 應答」的過程，來確認對方還在。網絡情況是多變的，雙端都需要一次自己主動發起的請求和對方回復的應答過程，來確保對方和網絡是正常的。
下面這張圖，是比較經典的 TCP 三次握手的消息和雙端狀態的變化。
我們先來解釋一下這張圖：
1. 在初始時，雙端處於 CLOSE 狀態，服務端為了提供服務，會主動監聽某個端口，進入 LISTEN 狀態。
2. 客戶端主動發送連接的「SYN」包，之后進入 SYN-SENT 狀態，服務端在收到客戶端發來的「SYN」包后，回復「SYN,ACK」包，之后進入 SYN-RCVD 狀態。
3. 客戶端收到服務端發來的「SYN,ACK」包后，可以確認對方存在，此時回復「ACK」包，並進入 ESTABLISHED 狀態。
4. 服務端收到最后一個「ACK」包后，也進入 ESTABLISHED 狀態。
正常的三次握手之后，雙端都進入 ESTABLISHED 狀態，在此之后，就是正常的數據傳輸過程。
2.2 TCP 握手的異常情況
三次握手的正常發包和應答，以及雙端的狀態扭轉我們已經講了，接下來就來看看在這三次握手的過程中，出現的異常情況。
1. 客戶端第一個「SYN」包丟了。
如果客戶端第一個「SYN」包丟了，也就是服務端根本就不知道客戶端曾經發過包，那么處理流程主要在客戶端。
而在 TCP 協議中，某端的一組「請求-應答」中，在一定時間范圍內，只要沒有收到應答的「ACK」包，無論是請求包對方沒有收到，還是對方的應答包自己沒有收到，均認為是丟包了，會觸發超時重傳機制。
所以此時會進入重傳「SYN」包。根據《TCP/IP詳解卷Ⅰ：協議》中的描述，此時會嘗試三次，間隔時間分別是 5.8s、24s、48s，三次時間大約是 76s 左右，而大多數伯克利系統將建立一個新連接的最長時間，限制為 75s。
也就是說三次握手第一個「SYN」包丟了，會重傳，總的嘗試時間是 75s。
參考：http://docs.52im.net/extend/docs/book/tcpip/vol1/18/
2. 服務端收到「SYN」並回復的「SYN,ACK」包丟了。
此時服務端已經收到了數據包並回復，如果這個回復的「SYN,ACK」包丟了，站在客戶端的角度，會認為是最開始的那個「SYN」丟了，那么就繼續重傳，就是我們前面說的「錯誤 1 流程」。
而對服務端而言，如果發送的「SYN,ACK」包丟了，在超時時間內沒有收到客戶端發來的「ACK」包，也會觸發重傳，此時服務端處於 SYN_RCVD 狀態，會依次等待 3s、6s、12s 后，重新發送「SYN,ACK」包。
而這個「SYN,ACK」包的重傳次數，不同的操作系統下有不同的配置，例如在 Linux 下可以通過 tcp_synack_retries 進行配置，默認值為 5。如果這個重試次數內，仍未收到「ACK」應答包，那么服務端會自動關閉這個連接。
同時由於客戶端在沒有收到「SYN,ACK」時，也會進行重傳，當客戶端重傳的「SYN」收到后，會立即重新發送「SYN,ACK」包。
3. 客戶端最后一次回復「SYN,ACK」的「ACK」包丟了。
如果最后一個「ACK」包丟了，服務端因為收不到「ACK」會走重傳機制，而客戶端此時進入 ESTABLISHED 狀態。
多數情況下，客戶端進入 ESTABLISHED 狀態后，則認為連接已建立，會立即發送數據。但是服務端因為沒有收到最后一個「ACK」包，依然處於 SYN-RCVD 狀態。
那么這里的關鍵，就在於服務端在處於 SYN-RCVD 狀態下，收到客戶端的數據包后如何處理？
這也是比較有爭議的地方，有些資料里會寫到當服務端處於 SYN-RCVD 狀態下，收到客戶端的數據包后，會直接回復 RTS 包響應，表示服務端錯誤，並進入 CLOSE 狀態。
但是這樣的設定有些過於嚴格，試想一下，服務端還在通過三次握手階段確定對方是否真實存在，此時對方的數據已經發來了，那肯定是存在的。
所以當服務端處於 SYN-RCVD 狀態下時，接收到客戶端真實發送來的數據包時，會認為連接已建立，並進入 ESTABLISHED 狀態。
實踐出真知，具體測試流程可以參考這篇文章：https://blog.csdn.net/zerooffdate/article/details/79359726
那么實際情況，為什么會這樣呢？
當客戶端在 ESTABLISHED 狀態下，開始發送數據包時，會攜帶上一個「ACK」的確認序號，所以哪怕客戶端響應的「ACK」包丟了，服務端在收到這個數據包時，能夠通過包內 ACK 的確認序號，正常進入 ESTABLISHED 狀態。
參考：https://stackoverflow.com/questions/16259774/what-if-a-tcp-handshake-segment-is-lost
4. 客戶端故意不發最后一次「SYN」包。
前面一直在說正常的異常邏輯，雙方都還算友善，按規矩做事，出現異常主要也是因為網絡等客觀問題，接下來說一個惡意的情況。
如果客戶端是惡意的，在發送「SYN」包后，並收到「SYN,ACK」后就不回復了，那么服務端此時處於一種半連接的狀態，雖然服務端會通過 tcp_synack_retries 配置重試的次數，不會無限等待下去，但是這也是有一個時間周期的。
如果短時間內存在大量的這種惡意連接，對服務端來說壓力就會很大，這就是所謂的 SYN FLOOD 攻擊。
這就屬於安全攻防的范疇了，今天就不討論了，有興趣可以自行了解。
三、小結時刻
今天我們聊了 TCP 在建立連接的三次握手階段，出現異常，如何處理的一些事兒。
大多數情況下，都是依賴超時重傳來保證 TCP 的可靠性，但是重傳的次數，狀態的轉換，這些細節，就是本文的主題。
本來想着一口氣聊完 TCP 的三次握手和四次揮手的異常處理，但是看篇幅有點過長了，不利於公眾號中的閱讀，所以分為兩篇來寫。
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