TCP三次握手(建立连接)/四次挥手(关闭连接)

相对于SOCKET开发者,TCP创建过程和链接折除过程是由TCP/IP协议栈自动创建的.因此开发者并不需要控制这个过程.但是对于理解TCP底层运作机制,相当有帮助.      而且对于有网络协议工程师之类笔试,几乎是必考的内容.企业对这个问题热情之高,出乎我的意料:-)。有时上午面试前强调这个问题,并重复讲一次,下午几乎每一个人都被问到这个问题。   因此在这里详细解释一下这两个过程。   TCP三次握手   所谓三次握手(Three-way Handshake),是指建立一个TCP连接时,需要客户端和服务器总共发送3个包。   三次握手的目的是连接服务器指定端口,建立TCP连接,并同步连接双方的序列号和确认号并交换 TCP 窗口大小信息.在socket编程中,客户端执行connect()时。将触发三次握手。         连接
  • 第一次握手:
    客户端发送一个TCP的SYN标志位置1的包指明客户打算连接的服务器的端口,以及初始序号X,保存在包头的序列号(Sequence Number)字段里。
四次
  • 第二次握手:
    服务器发回确认包(ACK)应答。即SYN标志位和ACK标志位均为1同时,将确认序号(Acknowledgement Number)设置为客户的I S N加1以.即X+1。


连接

  • 第三次握手.
    客户端再次发送确认包(ACK) SYN标志位为0,ACK标志位为1.并且把服务器发来ACK的序号字段+1,放在确定字段中发送给对方.并且在数据段放写ISN的+1
连接

SYN攻击

   在三次握手过程中,服务器发送SYN-ACK之后,收到客户端的ACK之前的TCP连接称为半连接(half-open connect).此时服务器处于Syn_RECV状态.当收到ACK后,服务器转入ESTABLISHED状态.

  Syn攻击就是 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,目标系统运行缓慢,严重者引起网络堵塞甚至系统瘫痪。

 Syn攻击是一个典型的DDOS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下可以如下命令检测是否被Syn攻击

netstat -n -p TCP | grep SYN_RECV

一般较新的TCP/IP协议栈都对这一过程进行修正来防范Syn攻击,修改tcp协议实现。主要方法有SynAttackProtect保护机制、SYN cookies技术、增加最大半连接和缩短超时时间等.

但是不能完全防范syn攻击。

TCP 四次挥手

TCP的连接的拆除需要发送四个包,因此称为四次挥手(four-way handshake)。客户端或服务器均可主动发起挥手动作,在socket编程中,任何一方执行close()操作即可产生挥手操作。

连接


 

 

参见wireshark抓包,实测的抓包结果并没有严格按挥手时序。我估计是时间间隔太短造成。

关闭             1、建立连接协议(三次握手)
(1)客户端发送一个带SYN标志的TCP报文到服务器。这是三次握手过程中的报文1。
(2) 服务器端回应客户端的,这是三次握手中的第2个报文,这个报文同时带ACK标志和SYN标志。因此它表示对刚才客户端SYN报文的回应;同时又标志SYN给客户端,询问客户端是否准备好进行数据通讯。
(3) 客户必须再次回应服务段一个ACK报文,这是报文段3。
2、连接终止协议(四次挥手)
   由于TCP连接是全双工的,因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动,一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方执行被动关闭。
 (1) TCP客户端发送一个FIN,用来关闭客户到服务器的数据传送(报文段4)。
 (2) 服务器收到这个FIN,它发回一个ACK,确认序号为收到的序号加1(报文段5)。和SYN一样,一个FIN将占用一个序号。
 (3) 服务器关闭客户端的连接,发送一个FIN给客户端(报文段6)。
 (4) 客户段发回ACK报文确认,并将确认序号设置为收到序号加1(报文段7)。
CLOSED: 这个没什么好说的了,表示初始状态。
LISTEN: 这个也是非常容易理解的一个状态,表示服务器端的某个SOCKET处于监听状态,可以接受连接了。
SYN_RCVD: 这个状态表示接受到了SYN报文,在正常情况下,这个状态是服务器端的SOCKET在建立TCP连接时的三次握手会话过程中的一个中间状态,很短暂,基本上用netstat你是很难看到这种状态的,除非你特意写了一个客户端测试程序,故意将三次TCP握手过程中最后一个ACK报文不予发送。因此这种状态时,当收到客户端的ACK报文后,它会进入到ESTABLISHED状态。
SYN_SENT: 这个状态与SYN_RCVD遥想呼应,当客户端SOCKET执行CONNECT连接时,它首先发送SYN报文,因此也随即它会进入到了SYN_SENT状态,并等待服务端的发送三次握手中的第2个报文。SYN_SENT状态表示客户端已发送SYN报文。
ESTABLISHED:这个容易理解了,表示连接已经建立了。
FIN_WAIT_1: 这个状态要好好解释一下,其实FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_2状态的真正含义都是表示等待对方的FIN报文。而这两种状态的区别是:FIN_WAIT_1状态实际上是当SOCKET在ESTABLISHED状态时,它想主动关闭连接,向对方发送了FIN报文,此时该SOCKET即进入到FIN_WAIT_1状态。而当对方回应ACK报文后,则进入到FIN_WAIT_2状态,当然在实际的正常情况下,无论对方何种情况下,都应该马上回应ACK报文,所以FIN_WAIT_1状态一般是比较难见到的,而FIN_WAIT_2状态还有时常常可以用netstat看到。
FIN_WAIT_2:上面已经详细解释了这种状态,实际上FIN_WAIT_2状态下的SOCKET,表示半连接,也即有一方要求close连接,但另外还告诉对方,我暂时还有点数据需要传送给你,稍后再关闭连接。
TIME_WAIT: 表示收到了对方的FIN报文,并发送出了ACK报文,就等2MSL后即可回到CLOSED可用状态了。如果FIN_WAIT_1状态下,收到了对方同时带FIN标志和ACK标志的报文时,可以直接进入到TIME_WAIT状态,而无须经过FIN_WAIT_2状态。
CLOSING: 这种状态比较特殊,实际情况中应该是很少见,属于一种比较罕见的例外状态。正常情况下,当你发送FIN报文后,按理来说是应该先收到(或同时收到)对方的ACK报文,再收到对方的FIN报文。但是CLOSING状态表示你发送FIN报文后,并没有收到对方的ACK报文,反而却也收到了对方的FIN报文。什么情况下会出现此种情况呢?其实细想一下,也不难得出结论:那就是如果双方几乎在同时close一个SOCKET的话,那么就出现了双方同时发送FIN报文的情况,也即会出现CLOSING状态,表示双方都正在关闭SOCKET连接。
CLOSE_WAIT: 这种状态的含义其实是表示在等待关闭。怎么理解呢?当对方close一个SOCKET后发送FIN报文给自己,你系统毫无疑问地会回应一个ACK报文给对方,此时则进入到CLOSE_WAIT状态。接下来呢,实际上你真正需要考虑的事情是察看你是否还有数据发送给对方,如果没有的话,那么你也就可以close这个SOCKET,发送FIN报文给对方,也即关闭连接。所以你在CLOSE_WAIT状态下,需要完成的事情是等待你去关闭连接。
LAST_ACK: 这个状态还是比较容易好理解的,它是被动关闭一方在发送FIN报文后,最后等待对方的ACK报文。当收到ACK报文后,也即可以进入到CLOSED可用状态了。
最后有2个问题的回答,我自己分析后的结论(不一定保证100%正确)
1、 为什么建立连接协议是三次握手,而关闭连接却是四次握手呢?
这是因为服务端的LISTEN状态下的SOCKET当收到SYN报文的建连请求后,它可以把ACK和SYN(ACK起应答作用,而SYN起同步作用)放在一个报文里来发送。但关闭连接时,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。
2、 为什么TIME_WAIT状态还需要等2MSL后才能返回到CLOSED状态?
这是因为:虽然双方都同意关闭连接了,而且握手的4个报文也都协调和发送完毕,按理可以直接回到CLOSED状态(就好比从SYN_SEND状态到ESTABLISH状态那样);但是因为我们必须要假想网络是不可靠的,你无法保证你最后发送的ACK报文会一定被对方收到,因此对方处于LAST_ACK状态下的SOCKET可能会因为超时未收到ACK报文,而重发FIN报文,所以这个TIME_WAIT状态的作用就是用来重发可能丢失的ACK报文。
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