一、序
当我们聊到 TCP 协议的时候，聊的最多的就是三次握手与四次挥手，但是你有没有想过，三次握手或者四次挥手时，如果发生异常了，是如何处理的?又是由谁来处理?
TCP 作为一个靠谱的协议，在传输数据的前后，需要在双端之间建立连接，并在双端各自维护连接的状态。TCP 并没有什么特别之处，在面对着多变的网络情况，也只能通过不断的重传和各种算法来保证可靠性。
建立连接前，TCP 会通过三次握手来保证双端状态正确，然后就可以正常传输数据了，在数据传输完毕后，又通过四次挥手来保证双端合理的断开连接并回收各自的资源。
我们在学习 TCP 建连和断连时，都是一个标准的流程，但是网络是多变的，很多时候并不像教科书那样标准，那么今天就来聊聊 TCP 三次握手出现异常的时候，是如何处理的。
二、TCP 三次握手
2.1 简单理解三次握手
虽然是说三次握手的异常情况，我们还是先来了解一下三次握手。
在通过 TCP 传输数据时，第一步就是要先建立一个连接。TCP 建立连接的过程，就是我们常说的三次握手。
我们经常将三次握手，描述成「请求 → 应答 → 应答之应答」。
至于 TCP 握手为什么是三次，其实就是要让双端都经历一次「请求 → 应答」的过程，来确认对方还在。网络情况是多变的，双端都需要一次自己主动发起的请求和对方回复的应答过程，来确保对方和网络是正常的。
下面这张图，是比较经典的 TCP 三次握手的消息和双端状态的变化。
我们先来解释一下这张图：
1. 在初始时，双端处于 CLOSE 状态，服务端为了提供服务，会主动监听某个端口，进入 LISTEN 状态。
2. 客户端主动发送连接的「SYN」包，之后进入 SYN-SENT 状态，服务端在收到客户端发来的「SYN」包后，回复「SYN,ACK」包，之后进入 SYN-RCVD 状态。
3. 客户端收到服务端发来的「SYN,ACK」包后，可以确认对方存在，此时回复「ACK」包，并进入 ESTABLISHED 状态。
4. 服务端收到最后一个「ACK」包后，也进入 ESTABLISHED 状态。
正常的三次握手之后，双端都进入 ESTABLISHED 状态，在此之后，就是正常的数据传输过程。
2.2 TCP 握手的异常情况
三次握手的正常发包和应答，以及双端的状态扭转我们已经讲了，接下来就来看看在这三次握手的过程中，出现的异常情况。
1. 客户端第一个「SYN」包丢了。
如果客户端第一个「SYN」包丢了，也就是服务端根本就不知道客户端曾经发过包，那么处理流程主要在客户端。
而在 TCP 协议中，某端的一组「请求-应答」中，在一定时间范围内，只要没有收到应答的「ACK」包，无论是请求包对方没有收到，还是对方的应答包自己没有收到，均认为是丢包了，会触发超时重传机制。
所以此时会进入重传「SYN」包。根据《TCP/IP详解卷Ⅰ：协议》中的描述，此时会尝试三次，间隔时间分别是 5.8s、24s、48s，三次时间大约是 76s 左右，而大多数伯克利系统将建立一个新连接的最长时间，限制为 75s。
也就是说三次握手第一个「SYN」包丢了，会重传，总的尝试时间是 75s。
参考：http://docs.52im.net/extend/docs/book/tcpip/vol1/18/
2. 服务端收到「SYN」并回复的「SYN,ACK」包丢了。
此时服务端已经收到了数据包并回复，如果这个回复的「SYN,ACK」包丢了，站在客户端的角度，会认为是最开始的那个「SYN」丢了，那么就继续重传，就是我们前面说的「错误 1 流程」。
而对服务端而言，如果发送的「SYN,ACK」包丢了，在超时时间内没有收到客户端发来的「ACK」包，也会触发重传，此时服务端处于 SYN_RCVD 状态，会依次等待 3s、6s、12s 后，重新发送「SYN,ACK」包。
而这个「SYN,ACK」包的重传次数，不同的操作系统下有不同的配置，例如在 Linux 下可以通过 tcp_synack_retries 进行配置，默认值为 5。如果这个重试次数内，仍未收到「ACK」应答包，那么服务端会自动关闭这个连接。
同时由于客户端在没有收到「SYN,ACK」时，也会进行重传，当客户端重传的「SYN」收到后，会立即重新发送「SYN,ACK」包。
3. 客户端最后一次回复「SYN,ACK」的「ACK」包丢了。
如果最后一个「ACK」包丢了，服务端因为收不到「ACK」会走重传机制，而客户端此时进入 ESTABLISHED 状态。
多数情况下，客户端进入 ESTABLISHED 状态后，则认为连接已建立，会立即发送数据。但是服务端因为没有收到最后一个「ACK」包，依然处于 SYN-RCVD 状态。
那么这里的关键，就在于服务端在处于 SYN-RCVD 状态下，收到客户端的数据包后如何处理?
这也是比较有争议的地方，有些资料里会写到当服务端处于 SYN-RCVD 状态下，收到客户端的数据包后，会直接回复 RTS 包响应，表示服务端错误，并进入 CLOSE 状态。
但是这样的设定有些过于严格，试想一下，服务端还在通过三次握手阶段确定对方是否真实存在，此时对方的数据已经发来了，那肯定是存在的。
所以当服务端处于 SYN-RCVD 状态下时，接收到客户端真实发送来的数据包时，会认为连接已建立，并进入 ESTABLISHED 状态。
实践出真知，具体测试流程可以参考这篇文章：https://blog.csdn.net/zerooffdate/article/details/79359726
那么实际情况，为什么会这样呢?
当客户端在 ESTABLISHED 状态下，开始发送数据包时，会携带上一个「ACK」的确认序号，所以哪怕客户端响应的「ACK」包丢了，服务端在收到这个数据包时，能够通过包内 ACK 的确认序号，正常进入 ESTABLISHED 状态。
参考：https://stackoverflow.com/questions/16259774/what-if-a-tcp-handshake-segment-is-lost
4. 客户端故意不发最后一次「SYN」包。
前面一直在说正常的异常逻辑，双方都还算友善，按规矩做事，出现异常主要也是因为网络等客观问题，接下来说一个恶意的情况。
如果客户端是恶意的，在发送「SYN」包后，并收到「SYN,ACK」后就不回复了，那么服务端此时处于一种半连接的状态，虽然服务端会通过 tcp_synack_retries配置重试的次数，不会无限等待下去，但是这也是有一个时间周期的。
如果短时间内存在大量的这种恶意连接，对服务端来说压力就会很大，这就是所谓的 SYN FLOOD 攻击。
这就属于安全攻防的范畴了，今天就不讨论了，有兴趣可以自行了解。
三、小结时刻
今天我们聊了 TCP 在建立连接的三次握手阶段，出现异常，如何处理的一些事儿。
大多数情况下，都是依赖超时重传来保证 TCP 的可靠性，但是重传的次数，状态的转换，这些细节，就是本文的主题。
本来想着一口气聊完 TCP 的三次握手和四次挥手的异常处理，但是看篇幅有点过长了，不利于公众号中的阅读，所以分为两篇来写。
【本文为51CTO专栏作者“张旸”的原创稿件，转载请通过微信公众号联系作者获取授权】
