TCP 3-way Handshakeと4-way Handshake

1. 概要

A. 定義

TCPはコネクション指向・高信頼の伝送プロトコルであり、コネクションの確立には3-way、コネクションの切断には4-wayハンドシェイクを用いて、双方向通信を信頼性高く管理する。

TCPがハンドシェイクを設ける根本的な理由は、IPが順序・到達を保証しない非信頼のネットワーク上で信頼性のある双方向ストリームを作らなければならないためである。データを送る前に双方が「準備ができた、何番から数える」を互いに確認して初めて、その後の順序の再構成・重複の除去・再送が可能になる。すなわちハンドシェイクは通信の挨拶ではなく、信頼性の初期契約である。

B. 目的

コネクション確立過程の目標は2つある。第一に、双方向それぞれの送受信準備状態を確認する。クライアント→サーバ方向だけでなく、サーバ→クライアント方向も開いている必要があるため、双方のSYNがいずれも必要となる。第二に、各方向の初期シーケンス番号（ISN）を交換・同期する。シーケンス番号はその後のすべてのバイトの順序と再送の基準となり、予測不可能な値から開始することで、古いコネクションのパケットの混入や偽造を防ぐ。

2. コネクション確立 — 3-way Handshake

sequenceDiagram
  participant C as Client
  participant S as Server
  C->>S: SYN (seq=x)
  S->>C: SYN+ACK (seq=y, ack=x+1)
  C->>S: ACK (ack=y+1)

確立がなぜちょうど3段階なのかが核心である。各方向を開くには「SYN（自分の開始番号の通知）」とそれに対する「ACK（確認）」が必要であるため、本来は4つのメッセージが必要となる。しかしサーバがクライアントのSYNを確認するACKと、サーバ自身のSYNを一つのパケット（SYN+ACK）にまとめられるため、3段階に短縮される。①クライアントがSYNで自身の初期シーケンスxを通知し、②サーバがxを確認（ack=x+1）すると同時に自身のシーケンスyを送り、③クライアントがyを確認（ack=y+1）すると、双方向のシーケンスがすべて合意されてコネクションが確立（ESTABLISHED）する。2段階ではサーバ方向の確認がないため不十分であり、4段階は不要なのである。

段階	内容	状態
1. SYN	クライアントの接続要求（初期シーケンスx）	SYN_SENT
2. SYN+ACK	サーバの受諾＋自身のシーケンス（y）、xの確認	SYN_RECEIVED
3. ACK	クライアントがyを確認 → コネクション確立	ESTABLISHED

3. コネクション切断 — 4-way Handshake

sequenceDiagram
  participant C as Client
  participant S as Server
  C->>S: FIN
  S->>C: ACK
  S->>C: FIN
  C->>S: ACK (TIME_WAIT)

切断が確立より1段階多い4-wayである理由は、TCPコネクションが方向ごとに独立した2本のストリームであるためである。一方が「送るものは終わった（FIN）」と伝えても、相手にはまだ送るべきデータが残っている場合がある。そのため相手はまずFINを確認（ACK）するだけにとどめ、自身の残りのデータを送り終えた後、すべて終わった時点で自身のFINを別途送る（この半分だけ閉じた状態をCLOSE_WAIT/half-closeという）。確立時にはSYN+ACKとしてまとめられていた確認と終了のシグナルが、切断時には「残りのデータ送信」という時間差のためにACKとFINに分離されるため、段階が一つ増える。最後のACKを送った能動クローズ側はすぐには閉じず、TIME_WAIT状態でしばらく待機する。

段階	内容
1. FIN	能動クローズ側が終了を要求
2. ACK	受信側が確認（残りのデータ送信が可能、half-close）
3. FIN	受信側も送信完了後に終了を要求
4. ACK	能動クローズ側が確認 → TIME_WAIT → 終了

4. 関連概念およびセキュリティ

ハンドシェイクは便利である反面、脆弱性も生む。終了後のTIME_WAITは無駄に見えるが、ネットワーク上で遅延した古いパケットが、新たに開かれた同一ポートのコネクションに誤って混入するのを防ぎ、最後のACKが失われた場合に相手の再送を受け取るためのものであり、通常2MSLの間維持される。SYN Floodingは、攻撃者がSYNだけを大量に送り最後のACKを送らないことで、サーバのハーフオープン接続キュー（backlog）を枯渇させるDoSである。これに対抗するSYNクッキーは、サーバが接続状態をキューに保存せずシーケンス番号の中に暗号学的にエンコードしておき、正当なACKが届いたらその値から状態を復元する手法である。

概念	説明
TIME_WAIT	遅延パケットの混入防止・最後のACKの再送への備え（2MSL）
SYN Flooding	未完成の接続でbacklogを枯渇させるDoS
SYNクッキー	状態をシーケンス番号にエンコードし、キューなしで防御
シーケンス番号（ISN）	順序保証・再送の基準、予測不可能にして偽造を防止

5. 考慮事項および示唆点

信頼性の代償は遅延：3-wayはデータ送信前に最低1 RTTを消費する。短いリクエストが多いWebでは、この初期コストが体感性能を左右する。
QUICへの進化：HTTP/3の基盤であるQUICは、UDP上でトランスポート接続とTLSネゴシエーションを統合し、0-RTTをサポートしてハンドシェイクの遅延を大幅に削減する。TCPの信頼性の概念を継承しつつ、確立コストを改善した流れである。
運用の観点：大規模サーバではTIME_WAITソケットがポートを占有して枯渇しうるため、コネクションの再利用（keep-alive）・カーネルパラメータのチューニングで管理しなければならない。

一言まとめ: TCPはSYN→SYN+ACK→ACKの3-wayでシーケンスを同期してコネクションを確立し、方向ごとのhalf-closeのためにFIN→ACK→FIN→ACKの4-wayで切断する高信頼プロトコルであり、TIME_WAIT・SYNクッキーで安定性・セキュリティを補完し、QUICがその遅延を改善している。