即两次握手会造成消息滞留情况下,服务端重复接受无用的连接请求 SYN 报文,而造成重复分配资源。
TIP
很多人问,两次握手不是也可以根据上下文信息丢弃 syn 历史报文吗?
我这里两次握手是假设「由于没有第三次握手,服务端不清楚客户端是否收到了自己发送的建立连接的 ACK 确认报文,所以每收到一个 SYN 就只能先主动建立一个连接」这个场景。
当然你要实现成类似三次握手那样,根据上下文丢弃 syn 历史报文也是可以的,两次握手没有具体的实现,怎么假设都行。
小结
TCP 建立连接时,通过三次握手能防止历史连接的建立,能减少双方不必要的资源开销,能帮助双方同步初始化序列号。序列号能够保证数据包不重复、不丢弃和按序传输。
不使用「两次握手」和「四次握手」的原因:
- 「两次握手」:无法防止历史连接的建立,会造成双方资源的浪费,也无法可靠的同步双方序列号;
- 「四次握手」:三次握手就已经理论上最少可靠连接建立,所以不需要使用更多的通信次数。
#为什么每次建立 TCP 连接时,初始化的序列号都要求不一样呢?
主要原因有两个方面:
- 为了防止历史报文被下一个相同四元组的连接接收(主要方面);
- 为了安全性,防止黑客伪造的相同序列号的 TCP 报文被对方接收;
接下来,详细说说第一点。
假设每次建立连接,客户端和服务端的初始化序列号都是从 0 开始:
过程如下:
- 客户端和服务端建立一个 TCP 连接,在客户端发送数据包被网络阻塞了,然后超时重传了这个数据包,而此时服务端设备断电重启了,之前与客户端建立的连接就消失了,于是在收到客户端的数据包的时候就会发送 RST 报文。
- 紧接着,客户端又与服务端建立了与上一个连接相同四元组的连接;
- 在新连接建立完成后,上一个连接中被网络阻塞的数据包正好抵达了服务端,刚好该数据包的序列号正好是在服务端的接收窗口内,所以该数据包会被服务端正常接收,就会造成数据错乱。
可以看到,如果每次建立连接,客户端和服务端的初始化序列号都是一样的话,很容易出现历史报文被下一个相同四元组的连接接收的问题。
如果每次建立连接客户端和服务端的初始化序列号都「不一样」,就有大概率因为历史报文的序列号「不在」对方接收窗口,从而很大程度上避免了历史报文,比如下图:
相反,如果每次建立连接客户端和服务端的初始化序列号都「一样」,就有大概率遇到历史报文的序列号刚「好在」对方的接收窗口内,从而导致历史报文被新连接成功接收。
所以,每次初始化序列号不一样很大程度上能够避免历史报文被下一个相同四元组的连接接收,注意是很大程度上,并不是完全避免了(因为序列号会有回绕的问题,所以需要用时间戳的机制来判断历史报文。
#初始序列号 ISN 是如何随机产生的?
起始 ISN 是基于时钟的,每 4 微秒 1,转一圈要 4.55 个小时。
RFC793 提到初始化序列号 ISN 随机生成算法:ISN = M F(localhost, localport, remotehost, remoteport)。
- M 是一个计时器,这个计时器每隔 4 微秒加 1。
- F 是一个 Hash 算法,根据源 IP、目的 IP、源端口、目的端口生成一个随机数值。要保证 Hash 算法不能被外部轻易推算得出,用 MD5 算法是一个比较好的选择。
可以看到,随机数是会基于时钟计时器递增的,基本不可能会随机成一样的初始化序列号。
#既然 IP 层会分片,为什么 TCP 层还需要 MSS 呢?
我们先来认识下 MTU 和 MSS
- MTU:一个网络包的最大长度,以太网中一般为 1500 字节;
- MSS:除去 IP 和 TCP 头部之后,一个网络包所能容纳的 TCP 数据的最大长度;
如果在 TCP 的整个报文(头部 数据)交给 IP 层进行分片,会有什么异常呢?
当 IP 层有一个超过 MTU 大小的数据(TCP 头部 TCP 数据)要发送,那么 IP 层就要进行分片,把数据分片成若干片,保证每一个分片都小于 MTU。把一份 IP 数据报进行分片以后,由目标主机的 IP 层来进行重新组装后,再交给上一层 TCP 传输层。
这看起来井然有序,但这存在隐患的,那么当如果一个 IP 分片丢失,整个 IP 报文的所有分片都得重传。
因为 IP 层本身没有超时重传机制,它由传输层的 TCP 来负责超时和重传。
当某一个 IP 分片丢失后,接收方的 IP 层就无法组装成一个完整的 TCP 报文(头部 数据),也就无法将数据报文送到 TCP 层,所以接收方不会响应 ACK 给发送方,因为发送方迟迟收不到 ACK 确认报文,所以会触发超时重传,就会重发「整个 TCP 报文(头部 数据)」。
因此,可以得知由 IP 层进行分片传输,是非常没有效率的。
所以,为了达到最佳的传输效能 TCP 协议在建立连接的时候通常要协商双方的 MSS 值,当 TCP 层发现数据超过 MSS 时,则就先会进行分片,当然由它形成的 IP 包的长度也就不会大于 MTU ,自然也就不用 IP 分片了。