TCP 傳輸控制協(xié)議

一、簡介

傳輸控制協(xié)議（TCP，Transmission Control Protocol）是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議，由IETF的RFC 793 [1] 定義。

TCP旨在適應(yīng)支持多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的分層協(xié)議層次結(jié)構(gòu)。 連接到不同但互連的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的主計(jì)算機(jī)中的成對進(jìn)程之間依靠TCP提供可靠的通信服務(wù)。TCP假設(shè)它可以從較低級(jí)別的協(xié)議獲得簡單的，可能不可靠的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)。 原則上，TCP應(yīng)該能夠在從硬線連接到分組交換或電路交換網(wǎng)絡(luò)的各種通信系統(tǒng)之上操作。

二、報(bào)文

1.報(bào)文格式

2.報(bào)文字段

3.6個(gè)重要標(biāo)識(shí)

SYN(synchronous建立聯(lián)機(jī)) ACK(acknowledgement 確認(rèn)) PSH(push傳送) FIN(finish結(jié)束) RST(reset重置) URG(urgent緊急)

三、三次握手

1.”三次握手”的詳解

所謂的三次握手即TCP連接的建立。這個(gè)連接必須是一方主動(dòng)打開，另一方被動(dòng)打開的。以下為客戶端主動(dòng)發(fā)起連接的圖解：

握手之前主動(dòng)打開連接的客戶端結(jié)束CLOSED階段，被動(dòng)打開的服務(wù)器端也結(jié)束CLOSED階段，并進(jìn)入LISTEN階段。隨后開始“三次握手”：

（1）首先客戶端向服務(wù)器端發(fā)送一段TCP報(bào)文，其中： 標(biāo)記位為SYN，表示“請求建立新連接”; 序號(hào)為Seq=X（X一般為1）； 隨后客戶端進(jìn)入SYN-SENT階段。

（2）服務(wù)器端接收到來自客戶端的TCP報(bào)文之后，結(jié)束LISTEN階段。并返回一段TCP報(bào)文，其中： 標(biāo)志位為SYN和ACK，表示“確認(rèn)客戶端的報(bào)文Seq序號(hào)有效，服務(wù)器能正常接收客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并同意創(chuàng)建新連接”（即告訴客戶端，服務(wù)器收到了你的數(shù)據(jù)）； 序號(hào)為Seq=y； 確認(rèn)號(hào)為Ack=x+1，表示收到客戶端的序號(hào)Seq并將其值加1作為自己確認(rèn)號(hào)Ack的值；隨后服務(wù)器端進(jìn)入SYN-RCVD階段。

（3）客戶端接收到來自服務(wù)器端的確認(rèn)收到數(shù)據(jù)的TCP報(bào)文之后，明確了從客戶端到服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸是正常的，結(jié)束SYN-SENT階段。并返回最后一段TCP報(bào)文。其中： 標(biāo)志位為ACK，表示“確認(rèn)收到服務(wù)器端同意連接的信號(hào)”（即告訴服務(wù)器，我知道你收到我發(fā)的數(shù)據(jù)了）； 序號(hào)為Seq=x+1，表示收到服務(wù)器端的確認(rèn)號(hào)Ack，并將其值作為自己的序號(hào)值； 確認(rèn)號(hào)為Ack=y+1，表示收到服務(wù)器端序號(hào)Seq，并將其值加1作為自己的確認(rèn)號(hào)Ack的值； 隨后客戶端進(jìn)入ESTABLISHED階段。 服務(wù)器收到來自客戶端的“確認(rèn)收到服務(wù)器數(shù)據(jù)”的TCP報(bào)文之后，明確了從服務(wù)器到客戶端的數(shù)據(jù)傳輸是正常的。結(jié)束SYN-SENT階段，進(jìn)入ESTABLISHED階段。 在客戶端與服務(wù)器端傳輸?shù)腡CP報(bào)文中，雙方的確認(rèn)號(hào)Ack和序號(hào)Seq的值，都是在彼此Ack和Seq值的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算的，這樣做保證了TCP報(bào)文傳輸?shù)倪B貫性。一旦出現(xiàn)某一方發(fā)出的TCP報(bào)文丟失，便無法繼續(xù)"握手"，以此確保了"三次握手"的順利完成。 此后客戶端和服務(wù)器端進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)傳輸。這就是“三次握手”的過程。

2.“三次握手”的動(dòng)態(tài)過程

四、“四次揮手”

所謂的四次揮手即TCP連接的釋放(解除)。連接的釋放必須是一方主動(dòng)釋放，另一方被動(dòng)釋放。以下為客戶端主動(dòng)發(fā)起釋放連接的圖解：

揮手之前主動(dòng)釋放連接的客戶端結(jié)束ESTABLISHED階段。隨后開始“四次揮手”： （1）首先客戶端想要釋放連接，向服務(wù)器端發(fā)送一段TCP報(bào)文，其中： 標(biāo)記位為FIN，表示“請求釋放連接“； 序號(hào)為Seq=U； 隨后客戶端進(jìn)入FIN-WAIT-1階段，即半關(guān)閉階段。并且停止在客戶端到服務(wù)器端方向上發(fā)送數(shù)據(jù)，但是客戶端仍然能接收從服務(wù)器端傳輸過來的數(shù)據(jù)。 注意：這里不發(fā)送的是正常連接時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)(非確認(rèn)報(bào)文)，而不是一切數(shù)據(jù)，所以客戶端仍然能發(fā)送ACK確認(rèn)報(bào)文。

（2）服務(wù)器端接收到從客戶端發(fā)出的TCP報(bào)文之后，確認(rèn)了客戶端想要釋放連接，隨后服務(wù)器端結(jié)束ESTABLISHED階段，進(jìn)入CLOSE-WAIT階段（半關(guān)閉狀態(tài)）并返回一段TCP報(bào)文，其中： 標(biāo)記位為ACK，表示“接收到客戶端發(fā)送的釋放連接的請求”； 序號(hào)為Seq=V； 確認(rèn)號(hào)為Ack=U+1，表示是在收到客戶端報(bào)文的基礎(chǔ)上，將其序號(hào)Seq值加1作為本段報(bào)文確認(rèn)號(hào)Ack的值； 隨后服務(wù)器端開始準(zhǔn)備釋放服務(wù)器端到客戶端方向上的連接。 客戶端收到從服務(wù)器端發(fā)出的TCP報(bào)文之后，確認(rèn)了服務(wù)器收到了客戶端發(fā)出的釋放連接請求，隨后客戶端結(jié)束FIN-WAIT-1階段，進(jìn)入FIN-WAIT-2階段 前"兩次揮手"既讓服務(wù)器端知道了客戶端想要釋放連接，也讓客戶端知道了服務(wù)器端了解了自己想要釋放連接的請求。于是，可以確認(rèn)關(guān)閉客戶端到服務(wù)器端方向上的連接了。

（3）服務(wù)器端自從發(fā)出ACK確認(rèn)報(bào)文之后，經(jīng)過CLOSED-WAIT階段，做好了釋放服務(wù)器端到客戶端方向上的連接準(zhǔn)備，再次向客戶端發(fā)出一段TCP報(bào)文，其中： 標(biāo)記位為FIN，ACK，表示“已經(jīng)準(zhǔn)備好釋放連接了”。注意：這里的ACK并不是確認(rèn)收到服務(wù)器端報(bào)文的確認(rèn)報(bào)文。 序號(hào)為Seq=W； 確認(rèn)號(hào)為Ack=U+1；表示是在收到客戶端報(bào)文的基礎(chǔ)上，將其序號(hào)Seq值加1作為本段報(bào)文確認(rèn)號(hào)Ack的值。 隨后服務(wù)器端結(jié)束CLOSE-WAIT階段，進(jìn)入LAST-ACK階段。并且停止在服務(wù)器端到客戶端的方向上發(fā)送數(shù)據(jù)，但是服務(wù)器端仍然能夠接收從客戶端傳輸過來的數(shù)據(jù)。

（4）客戶端收到從服務(wù)器端發(fā)出的TCP報(bào)文，確認(rèn)了服務(wù)器端已做好釋放連接的準(zhǔn)備，結(jié)束FIN-WAIT-2階段，進(jìn)入TIME-WAIT階段，并向服務(wù)器端發(fā)送一段報(bào)文，其中： 標(biāo)記位為ACK，表示“接收到服務(wù)器準(zhǔn)備好釋放連接的信號(hào)”。 序號(hào)為Seq=U+1；表示是在收到了服務(wù)器端報(bào)文的基礎(chǔ)上，將其確認(rèn)號(hào)Ack值作為本段報(bào)文序號(hào)的值。 確認(rèn)號(hào)為Ack=W+1；表示是在收到了服務(wù)器端報(bào)文的基礎(chǔ)上，將其序號(hào)Seq值作為本段報(bào)文確認(rèn)號(hào)的值。 隨后客戶端開始在TIME-WAIT階段等待2MSL 為什么要客戶端要等待2MSL呢？見后文。

服務(wù)器端收到從客戶端發(fā)出的TCP報(bào)文之后結(jié)束LAST-ACK階段，進(jìn)入CLOSED階段。由此正式確認(rèn)關(guān)閉服務(wù)器端到客戶端方向上的連接。 客戶端等待完2MSL之后，結(jié)束TIME-WAIT階段，進(jìn)入CLOSED階段，由此完成“四次揮手”。

后“兩次揮手”既讓客戶端知道了服務(wù)器端準(zhǔn)備好釋放連接了，也讓服務(wù)器端知道了客戶端了解了自己準(zhǔn)備好釋放連接了。于是，可以確認(rèn)關(guān)閉服務(wù)器端到客戶端方向上的連接了，由此完成“四次揮手”。 與“三次揮手”一樣，在客戶端與服務(wù)器端傳輸?shù)腡CP報(bào)文中，雙方的確認(rèn)號(hào)Ack和序號(hào)Seq的值，都是在彼此Ack和Seq值的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算的，這樣做保證了TCP報(bào)文傳輸?shù)倪B貫性，一旦出現(xiàn)某一方發(fā)出的TCP報(bào)文丟失，便無法繼續(xù)"揮手"，以此確保了"四次揮手"的順利完成。

五、常見面試題

1.為什么建立連接協(xié)議是三次握手，而關(guān)閉連接卻是四次握手呢？

這是因?yàn)榉?wù)端的LISTEN狀態(tài)下的SOCKET當(dāng)收到SYN報(bào)文的建連請求后，它可以把ACK和SYN（ACK起應(yīng)答作用，而SYN起同步作用）放在 一個(gè)報(bào)文里來發(fā)送。

但關(guān)閉連接時(shí)，當(dāng)收到對方的FIN報(bào)文通知時(shí)，它僅僅表示對方?jīng)]有數(shù)據(jù)發(fā)送給你了；但未必你所有的數(shù)據(jù)都全部發(fā)送給對方了，所以你可以 未必會(huì)馬上會(huì)關(guān)閉SOCKET,也即你可能還需要發(fā)送一些數(shù)據(jù)給對方之后，再發(fā)送FIN報(bào)文給對方來表示你同意現(xiàn)在可以關(guān)閉連接了，所以它這里的ACK報(bào) 文和FIN報(bào)文多數(shù)情況下都是分開發(fā)送的.

2.為什么TIME_WAIT狀態(tài)還需要等2MSL后才能返回到CLOSED狀態(tài)？

因?yàn)殡m然雙方都同意關(guān)閉連接了，而且握手的4個(gè)報(bào)文也都協(xié)調(diào)和發(fā)送完畢，按理可以直接回到CLOSED狀態(tài)（就好比從SYN_SEND狀態(tài)到ESTABLISH狀態(tài)那樣）；但是我們認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)是不可靠的，你無法保證你最后發(fā)送的ACK報(bào)文會(huì)一定被對方收到，因此對方處于LAST_ACK狀態(tài)下的SOCKET可能會(huì)因?yàn)槌瑫r(shí)未收到ACK報(bào)文，而重發(fā)FIN報(bào)文，所以這個(gè)TIME_WAIT狀態(tài)的作用就是用來重發(fā)可能丟失的ACK報(bào)文。

3.大量TIME_WAIT產(chǎn)生的原因及解決辦法

　　 原因：對于基于TCP的HTTP協(xié)議，關(guān)閉TCP連接的是Server端，這樣，Server端回進(jìn)入TIME_WAIT狀態(tài)，可想而知，對于訪問量大的Web Server，會(huì)存在大量的TIME_WAIT狀態(tài)。

解決辦法：

　?。?）開啟socket重用，允許TIME_WAIT的socket重新用于TCP連接

　?。?）開啟快速回收

六.常見攻擊

SYN攻擊：

在三次握手過程中，Server發(fā)送SYN-ACK之后，收到Client的ACK之前的TCP連接稱為半連接（half-open connect），此時(shí)Server處于SYN_RCVD狀態(tài)，當(dāng)收到ACK后，Server轉(zhuǎn)入ESTABLISHED狀態(tài)。SYN攻擊就是Client在短時(shí)間內(nèi)偽造大量不存在的IP地址，并向Server不斷地發(fā)送SYN包，Server回復(fù)確認(rèn)包，并等待Client的確認(rèn)，由于源地址是不存在的，因此，Server需要不斷重發(fā)直至超時(shí)，這些偽造的SYN包將產(chǎn)時(shí)間占用未連接隊(duì)列，導(dǎo)致正常的SYN請求因?yàn)殛?duì)列滿而被丟棄，從而引起網(wǎng)絡(luò)堵塞甚至系統(tǒng)癱瘓。SYN攻擊時(shí)一種典型的DDOS攻擊，檢測SYN攻擊的方式非常簡單，即當(dāng)Server上有大量半連接狀態(tài)且源IP地址是隨機(jī)的，則可以斷定遭到SYN攻擊了，使用如下命令可以讓之現(xiàn)行：

netstat -nap | grep SYN_RECV