【TCP协议】（1）---TCP协议详解

tcp有6种标示:syn(建立联机) ack(确认) psh(传送) fin(结束) rst(重置) urg(紧急) 

一、tcp三次握手                         

  第一次握手

      客户端向服务器发出连接请求报文，这时报文首部中的同部位syn=1，同时随机生成初始序列号 seq=x，此时，tcp客户端进程进入了 syn-sent（同步已发送状态）状

态。tcp规定，syn报文段（syn=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号。这个三次握手中的开始。表示客户端想要和服务端建立连接。

  第二次握手

      tcp服务器收到请求报文后，如果同意连接，则发出确认报文。确认报文中应该 ack=1，syn=1，确认号是ack=x+1，同时也要为自己随机初始化一个序列号 seq=y，此

时，tcp服务器进程进入了syn-rcvd（同步收到）状态。这个报文也不能携带数据，但是同样要消耗一个序号。这个报文带有syn(建立连接)和ack(确认)标志，询问客户端

是否准备好。

  第三次握手

      tcp客户进程收到确认后，还要向服务器给出确认。确认报文的ack=1，ack=y+1，此时，tcp连接建立，客户端进入established（已建立连接）状态。

tcp规定，ack报文段可以携带数据，但是如果不携带数据则不消耗序号。这里客户端表示我已经准备好。

思考：为什么要三次握手呢，有人说两次握手就好了

举例：已失效的连接请求报文段。

   client发送了第一个连接的请求报文，但是由于网络不好，这个请求没有立即到达服务端，而是在某个网络节点中滞留了，直到某个时间才到达server，本来这已经是一个失效

的报文，但是server端接收到这个请求报文后，还是会想client发出确认的报文，表示同意连接。假如不采用三次握手，那么只要server发出确认，新的建立就连接了，但其实这个

请求是失效的请求，client是不会理睬server的确认信息，也不会向服务端发送确认的请求，但是server认为新的连接已经建立起来了，并一直等待client发来数据，这样，server的

很多资源就没白白浪费掉了，采用三次握手就是为了防止这种情况的发生，server会因为收不到确认的报文，就知道client并没有建立连接。这就是三次握手的作用。

  

二、tcp数据的传输过程

  建立连接后，两台主机就可以相互传输数据了。如下图所示：

  1）主机a初始seq为1200,滑动窗体为100,向主机b传递数据的过程。

  2）假设主机b在完全成功接收数据的基础上,那么主机b为了确认这一点，向主机a发送 ack 包，并将 ack 号设置为 1301。因此按如下的公式确认 ack 号：

       ack号 = seq号 + 传递的字节数 + 1 （这是在完全接受成功的情况下）

  3）主机a获得b传来的ack(1301)后,开始发送seq为1301,滑动窗体为100的数据。
       ......

与三次握手协议相同，最后加 1 是为了告诉对方要传递的 seq 号。上面说了，主机b完全成功接收a发来的数据才是这样的,如果存在丢包该如何。

 下面分析传输过程中数据包丢失的情况，如下图所示：

 

上图表示通过 seq 1301 数据包向主机b传递100字节的数据，但中间发生了错误，主机b未收到。经过一段时间后，主机a仍未收到对于 seq 1301 的ack确认，因此尝试

重传数据。为了完成数据包的重传，tcp套接字每次发送数据包时都会启动定时器，如果在一定时间内没有收到目标机器传回的 ack 包，那么定时器超时，数据包会重传。

 上面也只是一种可能,比如数据1250丢失,那么ack返回的就是1250,具体的可以详细看下博客：【tcp协议】（1）---tcp协议详解,这里面滑动窗口有说明。

 

 三、tcp的四次挥手                   

 

第一次挥手  

    tcp发送一个fin(结束)，用来关闭客户到服务端的连接。

    客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，fin=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），

此时，客户端进入fin-wait-1（终止等待1）状态。 tcp规定，fin报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。

挥手

    服务端收到这个fin，他发回一个ack(确认)，确认收到序号为收到序号+1，和syn一样，一个fin将占用一个序号。

    服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ack=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了close-wait（关闭等待）状态。tcp服务器

通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个

状态还要持续一段时间，也就是整个close-wait状态持续的时间。

 

客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入fin-wait-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。

挥手

      服务端发送一个fin(结束)到客户端，服务端关闭客户端的连接。

      服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，fin=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，

此时，服务器就进入了last-ack（最后确认）状态，等待客户端的确认。

挥手

     客户端发送ack(确认)报文确认，并将确认的序号+1，这样关闭完成。

     客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ack=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了time-wait（时间等待）状态。注意此时

tcp连接还没有释放，必须经过2∗∗msl（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的tcb后，才进入closed状态。

 

服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入closed状态。同样，撤销tcb后，就结束了这次的tcp连接。可以看到，服务器结束tcp连接的时间要比客户端早一些。

思考：那么为什么是4次挥手呢？

为了确保数据能够完成传输。

      关闭连接时，当收到对方的fin报文通知时，它仅仅表示对方没有数据发送给你了；但未必你所有的数据都全部发送给对方了，所以你可以未必会马上会关闭socket,也

即你可能还需要发送一些数据给对方之后，再发送fin报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了，所以它这里的ack报文和fin报文多数情况下都是分开发送的。

可能有人会有疑问，tcp我握手的时候为何ack(确认)和syn(建立连接)是一起发送。挥手的时候为什么是分开的时候发送呢.

因为当server端收到client端的syn连接请求报文后，可以直接发送syn+ack报文。其中ack报文是用来应答的，syn报文是用来同步的。但是关闭连接时，当server端收到

fin报文时，很可能并不会立即关闭 socket，所以只能先回复一个ack报文，告诉client端，"你发的fin报文我收到了"。只有等到我server端所有的报文都发送完了，我才能

发送fin报文，因此不能一起发送。故需要四步挥手。

思考:客户端突然挂掉了怎么办？

    正常连接时，客户端突然挂掉了，如果没有措施处理这种情况，那么就会出现客户端和服务器端出现长时期的空闲。解决办法是在服务器端设置保活计时器，每当服务器收到

客户端的消息，就将计时器复位。超时时间通常设置为2小时。若服务器超过2小时没收到客户的信息，他就发送探测报文段。若发送了10个探测报文段，每一个相隔75秒，

还没有响应就认为客户端出了故障，因而终止该连接。

 

四、syn（洪水）攻击

背景

      初始化连接的 syn 超时问题client发送syn包给server后挂了，server回给client的syn-ack一直没收到client的ack确认，这个时候这个连接既没建立起来，也不能算

失败。这就需要一个超时时间让server将这个连接断开，否则这个连接就会一直占用server的syn连接队列中的一个位置，大量这样的连接就会将server的syn连接队列耗尽，

让正常的连接无法得到处理。

      目前，linux下默认会进行5次重发syn-ack包，重试的间隔时间从1s开始，下次的重试间隔时间是前一次的双倍，5次的重试时间间隔为1s, 2s, 4s, 8s, 16s，总共31s，第

5次发出后还要等32s都知道第5次也超时了，所以，总共需要 1s + 2s + 4s+ 8s+ 16s + 32s = 63s，tcp才会把断开这个连接。由于，syn超时需要63秒，那么就给攻击者一

个攻击服务器的机会，攻击者在短时间内发送大量的syn包给server(俗称syn flood攻击)，用于耗尽server的syn队列。

什么是 syn 攻击

       syn 攻击指的是，攻击客户端在短时间内伪造大量不存在的ip地址，向服务器不断地发送syn包，服务器回复确认包，并等待客户的确认。由于源地址是不存在的，服务器

需要不断的重发直至超时，这些伪造的syn包将长时间占用未连接队列，正常的syn请求被丢弃，导致目标系统运行缓慢，严重者会引起网络堵塞甚至系统瘫痪。syn 攻击是一

种典型的 dos攻击。

如何检测 syn 攻击？

      检测 syn 攻击非常的方便，当你在服务器上看到大量的半连接状态时，特别是源ip地址是随机的，基本上可以断定这是一次syn攻击。在 linux/unix 上可以使用系统自带的

netstats 命令来检测 syn 攻击。

如何防御 syn 攻击？

      syn攻击不能完全被阻止，除非将tcp协议重新设计。我们所做的是尽可能的减轻syn攻击的危害，常见的防御 syn 攻击的方法有如下几种：

      缩短超时（syn timeout）

      时间增加最大半连接数

      过滤网关防护syn

      cookies技术

 四、tcp和udp的区别      

  我这里简单列举几个，因为我还没有研究udp这个协议。

  1、基于连接与无连接;udp是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接

  2、tcp保证数据正确性，udp可能丢包，tcp保证数据顺序，udp不保证。也就是说，通过tcp连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，且按序到达;udp尽最大努力交付

       ，即不保证可靠交付tcp通过校验和，重传控制，序号标识，滑动窗口、确认应答实现可靠传输。如丢包时的重发控制，还可以对次序乱掉的分包进行顺序控制。

  3、udp具有较好的实时性，工作效率比tcp高，适用于对高速传输和实时性有较高的通信或广播通信。

  4、每一条tcp连接只能是点到点的;udp支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信。

  5、tcp对系统资源要求较多，udp对系统资源要求较少。