面试官常问的TCP三次握手与HTTPS的四次握手

背景

TCP 握手和 HTTPS 握手分别属于 OSI 网络模型中的不同层次，并且在网络通信中扮演着重要的角色。TCP（传输控制协议）是 OSI 模型中的传输层协议，负责提供可靠的数据传输。TCP 握手是 TCP 协议在建立连接时的一部分。HTTPS 握手属于应用层（Application Layer），HTTPS（安全的超文本传输协议）是一个基于 HTTP 协议的加密通信协议，用于在客户端和服务器之间建立安全的通信通道。

一、TCP 握手过程（三次握手）：

过程

• 第一次握手（SYN）：客户端发送一个带有 SYN（同步）标志的 TCP 数据包给服务器，请求建立连接。此时客户端进入 SYN_SENT 状态。

• 第二次握手（SYN + ACK）：服务器收到客户端的请求后，发送一个带有 SYN 和 ACK（确认）标志的 TCP 数据包作为响应。此时服务器进入 SYN_RCVD 状态。

• 第三次握手（ACK）：客户端收到服务器的响应后，发送一个带有 ACK 标志的 TCP 数据包给服务器，确认连接建立。此时客户端和服务器都进入 ESTABLISHED 状态，可以开始传输数据。

注意： 这里的握手次数指的是建立连接所需的握手次数。关闭连接时，还需要进行四次挥手过程来正常关闭连接。

示例

下面是一个使用Node.js的示例代码，演示了TCP客户端和服务器之间的握手过程：

// TCP服务器代码
const net = require('net');

const server = net.createServer((socket) => {
  socket.on('data', (data) => {
    console.log('Received data:', data.toString());
  });

  socket.on('end', () => {
    console.log('Connection closed by client');
  });
});

server.listen(3000, () => {
  console.log('TCP server listening on port 3000');
});

// TCP客户端代码
const net = require('net');

const client = net.createConnection({ port: 3000 }, () => {
  console.log('Connected to TCP server');

  client.write('Hello server!');
});

client.on('data', (data) => {
  console.log('Received data:', data.toString());
});

client.on('end', () => {
  console.log('Connection closed by server');
});

二、HTTPS 握手过程（四次握手）：

HTTPS握手过程在建立安全连接之前需要进行TCP握手来建立基本的网络连接。HTTPS是在HTTP协议上添加了TLS/SSL加密层的协议。TLS/SSL协议需要在TCP连接建立之后才能进行握手过程，确保通信双方建立了安全的加密通道。

过程

• 第一次握手：客户端向服务器发送一个加密套件列表和一个随机数，请求建立连接。

• 第二次握手：服务器选择一个加密套件和一个随机数，并发送服务器证书给客户端。

• 第三次握手：客户端验证服务器证书的合法性，并生成一个用于对称加密的密钥，并将密钥加密后发送给服务器。

• 第四次握手：服务器解密客户端发送的密钥，并使用该密钥进行加密和解密通信。

在 HTTPS 握手过程中，客户端和服务器之间进行了四次握手，确保建立了安全的加密通道。完成握手后，客户端和服务器可以开始进行加密通信。

示例

下面是一个使用Node.js的示例代码，演示了HTTPS客户端和服务器之间的握手过程：

// HTTPS服务器代码
const https = require('https');
const fs = require('fs');

const options = {
  key: fs.readFileSync('server.key'),
  cert: fs.readFileSync('server.crt'),
};

const server = https.createServer(options, (req, res) => {
  res.statusCode = 200;
  res.setHeader('Content-Type', 'text/plain');
  res.end('Hello, HTTPS!');
});

server.listen(443, () => {
  console.log('HTTPS server listening on port 443');
});

// HTTPS客户端代码
const https = require('https');

const options = {
  hostname: 'localhost',
  port: 443,
  path: '/',
  method: 'GET',
};

const req = https.request(options, (res) => {
  console.log(`Server responded with status code: ${res.statusCode}`);

  res.on('data', (data) => {
    console.log('Received data:', data.toString());
  });
});

req.on('error', (error) => {
  console.error('Request error:', error);
});

req.end();

三、TCP与UDP

在涉及到可靠性，实时性，资源消耗，网络环境等要求时，我们需要评估TCP还是UDP作为传输层协议的适用性。这里不得不提一下UDP，它作为会是一种无连接的传输协议，没有内置的握手过程。

与TCP对比

下面的表格对比了UDP和TCP在几个关键方面的特性：

特性	UDP	TCP
连接性质	无连接	面向连接
可靠性	不可靠，数据可能丢失或乱序	可靠，提供错误检测、重传和排序
传输速度	快速，无握手和拥塞控制延迟	较慢，有握手和拥塞控制延迟
数据流	不支持多路复用	支持多路复用
错误恢复	不提供内置的错误恢复机制	提供内置的错误恢复机制
拥塞控制	不提供内置的拥塞控制机制	提供内置的拥塞控制机制
安全性	不提供内置的加密机制	提供内置的加密机制
适用场景	实时音视频传输、游戏通信等	文件传输、网页浏览等

UDP是一种无连接的协议，不提供可靠性保证，传输速度快，适用于对实时性要求较高的应用场景。它不支持多路复用、错误恢复和拥塞控制，也不提供内置的加密机制。

示例

当使用Node.js进行UDP通信时，以下是一个简单的代码示例，演示了UDP连接的过程：

const dgram = require('dgram');

// 创建UDP套接字
const socket = dgram.createSocket('udp4');

// 监听消息接收事件
socket.on('message', (msg, rinfo) => {
  console.log(`Received message: ${msg} from ${rinfo.address}:${rinfo.port}`);
});

// 绑定套接字到指定端口和地址
socket.bind(1234, 'localhost', () => {
  console.log('UDP socket is listening');
});

// 发送消息到目标地址和端口
const message = Buffer.from('Hello, UDP server!');
socket.send(message, 0, message.length, 4321, 'localhost', (err) => {
  if (err) {
    console.error('Error sending message:', err);
  } else {
    console.log('Message sent successfully');
  }

  // 关闭套接字
  socket.close();
});

在这个示例中，首先我们创建了一个UDP套接字，使用dgram.createSocket()方法，并指定了UDP协议版本（udp4表示IPv4）。然后，我们通过调用socket.bind()方法将套接字绑定到指定的端口和地址（在本例中是localhost的1234端口）。

接下来，我们监听message事件，当接收到消息时，会触发回调函数并打印接收到的消息和发送方的地址和端口。

然后，我们创建一个消息（使用Buffer.from()方法将字符串转换为Buffer），并使用socket.send()方法将消息发送到目标地址和端口（在本例中是localhost的4321端口）。

最后，我们在发送完成后调用socket.close()方法关闭套接字。

四、对称加密与非对称加密

因为前面提到加密与解密，所以这里作为补充温故下这两个知识点

1. 对称加密

对称加密使用相同的密钥（称为密钥）来进行加密和解密数据。发送方使用密钥将明文数据加密，接收方使用相同的密钥解密数据。对称加密算法的优势在于处理速度快，适用于大量数据的加密和解密。常见的对称加密算法有AES（高级加密标准）和DES（数据加密标准）等。

下面是一个使用 Node.js 进行对称加密的示例代码：

const crypto = require('crypto');

// 定义密钥和明文数据
const key = 'SecretKey12345678';
const plaintext = 'Sensitive data';

// 创建加密器对象
const cipher = crypto.createCipher('aes-256-cbc', key);

// 加密数据
let encrypted = cipher.update(plaintext, 'utf8', 'hex');
encrypted += cipher.final('hex');

console.log('Encrypted data:', encrypted);

// 创建解密器对象
const decipher = crypto.createDecipher('aes-256-cbc', key);

// 解密数据
let decrypted = decipher.update(encrypted, 'hex', 'utf8');
decrypted += decipher.final('utf8');

console.log('Decrypted data:', decrypted);

2. 非对称加密

非对称加密使用一对密钥，分别是公钥和私钥。发送方使用接收方的公钥加密数据，接收方使用自己的私钥解密数据。非对称加密算法的优势在于提供了更高的安全性，可用于密钥交换和数字签名等场景。常见的非对称加密算法有RSA和ECC等。

下面是一个使用 Node.js 进行非对称加密的示例代码：

const crypto = require('crypto');

// 生成密钥对
const { publicKey, privateKey } = crypto.generateKeyPairSync('rsa', {
  modulusLength: 2048,
});

// 定义明文数据
const plaintext = 'Sensitive data';

// 使用公钥加密数据
const encrypted = crypto.publicEncrypt(publicKey, Buffer.from(plaintext));

console.log('Encrypted data:', encrypted.toString('base64'));

// 使用私钥解密数据
const decrypted = crypto.privateDecrypt(privateKey, encrypted);

console.log('Decrypted data:', decrypted.toString());

注意

HTTPS（安全的超文本传输协议）使用对称加密和非对称加密的混合方式来实现通信的安全性。对称加密算法用于加密和解密实际的数据传输，而非对称加密算法用于安全地交换对称加密所需的密钥。

写在最后

其实TCP 握手和 HTTPS 握手是软件开发者基本都会了解并且在面试中经常会被问到的问题，本文旨在温故而知新，学习的过程是一个反复确认和实践的过程，也是一个需要被记录和可视化的过程，共勉~