【linux】关于TCP三次握手和四次挥手

2022-11-09 11:35:58

1、TCP是什么

关于OSI的七层模型

【linux】关于TCP三次握手和四次挥手

  • TCP在第四层——Transport层，第四层的数据叫Segment-》报文
  • IP在第三层——Network层，在第三层上的数据叫Packet-》数据包
  • ARP在第二层——Data Link层；在第二层上的数据，我们把它叫Frame-》帧

数据从应用层发下来，会在每一层都会加上头部信息，进行封装，然后再发送到数据接收端，就是每个数据都会经过数据的封装和解封装的过程。

wireshark抓到的包与对应的协议层如下图所示

【linux】关于TCP三次握手和四次挥手

  • Frame 36441: 物理层的数据帧概况
  • Ethernet II: 数据链路层以太网帧头部信息
  • Internet Protocol Version 4: IPV4 网络层
  • Transmission Control Protocol: TCP 传输层
  • Hypertext Transfer Protocol: 应用层 HTTP

在OSI七层模型中，每一层的作用和对应的协议如下：

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wireshark抓到的传输层的报文

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TCP是一个协议，那这个协议是如何定义的，它的数据格式是什么样子的呢

【linux】关于TCP三次握手和四次挥手

上面就是TCP协议头部的格式，由于它太重要了，是理解其它内容的基础，下面就将每个字段的信息都详细的说明一下

  • Source Port和Destination Port:分别占用16位，表示源端口号和目的端口号；用于区别主机中的不同进程，而IP地址是用来区分不同的主机的，源端口号和目的端口号配合上IP首部中的源IP地址和目的IP地址就能唯一的确定一个TCP连接；
  • Sequence Number:用来标识从TCP发端向TCP收端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的的第一个数据字节在数据流中的序号；主要用来解决网络报乱序的问题；
  • Acknowledgment Number:32位确认序列号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号，因此，确认序号应当是上次已成功收到数据字节序号加1。不过，只有当标志位中的ACK标志为1时该确认序列号的字段才有效。主要用来解决不丢包的问题；
  • Offset:给出首部中32 bit字的数目，需要这个值是因为任选字段的长度是可变的。这个字段占4bit（最多能表示15个32bit的的字，即4*15=60个字节的首部长度），因此TCP最多有60字节的首部。然而，没有任选字段，正常的长度是20字节；
  • TCP Flags:TCP首部中有6个标志比特，它们中的多个可同时被设置为1，主要是用于操控TCP的状态机的，依次为URG，ACK，PSH，RST，SYN，FIN。每个标志位的意思如下：
    • URG：此标志表示TCP包的紧急指针域有效，用来保证TCP连接不被中断，并且督促中间层设备要尽快处理这些数据；
    • ACK：此标志表示应答域有效，就是说前面所说的TCP应答号将会包含在TCP数据包中；有两个取值：0和1，为1的时候表示应答域有效，反之为0；
    • PSH：这个标志位表示Push操作。所谓Push操作就是指在数据包到达接收端以后，立即传送给应用程序，而不是在缓冲区中排队；
    • RST：这个标志表示连接复位请求。用来复位那些产生错误的连接，也被用来拒绝错误和非法的数据包；
    • SYN：表示同步序号，用来建立连接。SYN标志位和ACK标志位搭配使用，当连接请求的时候，SYN=1，ACK=0；连接被响应的时候，SYN=1，ACK=1；这个标志的数据包经常被用来进行端口扫描。扫描者发送一个只有SYN的数据包，如果对方主机响应了一个数据包回来 ，就表明这台主机存在这个端口；但是由于这种扫描方式只是进行TCP三次握手的第一次握手，因此这种扫描的成功表示被扫描的机器不很安全，一台安全的主机将会强制要求一个连接严格的进行TCP的三次握手；
    • FIN： 表示发送端已经达到数据末尾，也就是说双方的数据传送完成，没有数据可以传送了，发送FIN标志位的TCP数据包后，连接将被断开。这个标志的数据包也经常被用于进行端口扫描。
  • Window:窗口大小，也就是有名的滑动窗口，用来进行流量控制；这是一个复杂的问题，这篇博文中并不会进行总结的

关于三次握手和四次挥手

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wireshark 抓包

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一个反向代理中的网络连接

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2、三次握手又是什么

TCP是面向连接的，无论哪一方向另一方发送数据之前，都必须先在双方之间建立一条连接。在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接服务，连接是通过三次握手进行初始化的。三次握手的目的是同步连接双方的序列号和确认号并交换 TCP窗口大小信息。

第一次握手：建立连接。客户端发送连接请求报文段，将SYN位置为1，Sequence Number为x；然后，客户端进入SYN_SEND状态，等待服务器的确认；

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第二次握手：服务器收到SYN报文段。服务器收到客户端的SYN报文段，需要对这个SYN报文段进行确认，设置Acknowledgment Number为x+1(Sequence Number+1)；同时，自己自己还要发送SYN请求信息，将SYN位置为1，Sequence Number为y；服务器端将上述所有信息放到一个报文段（即SYN+ACK报文段）中，一并发送给客户端，此时服务器进入SYN_RECV状态；

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第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK报文段。然后将Acknowledgment Number设置为y+1，向服务器发送ACK报文段，这个报文段发送完毕以后，客户端和服务器端都进入ESTABLISHED状态，完成TCP三次握手。

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完成了三次握手，客户端和服务器端就可以开始传送数据，使用tcpdump在服务器上抓包，可以看到

[root@dev ~]# tcpdump -i lo  port 12000

tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode

listening on lo, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 65535 bytes

22:58:54.952917 IP localhost.48383 > localhost.entextxid: Flags [S], seq 439289121, win 65495, options [mss 65495,sackOK,TS val 4017863386 ecr 0,nop,wscale 7], length 0

22:58:54.952928 IP localhost.entextxid > localhost.48383: Flags [S.], seq 3569639229, ack 439289122, win 65483, options [mss 65495,sackOK,TS val 4017863386 ecr 4017863386,nop,wscale 7], length 0

22:58:54.952938 IP localhost.48383 > localhost.entextxid: Flags [.], ack 1, win 512, options [nop,nop,TS val 4017863386 ecr 4017863386], length 0

我们可以看到

client => server   seq = 439289121 flags = S

server=>client  ack=seq+1=439289122 , seq = 3569639229 flags = S

client=>server ack=1 flags = 空

  • Win:窗口字段明确指出现在允许对方发送的数据量(经常变化)
  • MSS(Maximum Segment Size):最大报文段长度,即每个TCP报文段中的数据字段的最大长度.这里需要在握手的时候进行协商,双方都给出MSS,最后以最小MSS确定为最终的MSS.IP数据报最大传输单位为MTU(Maximum Transmission Unit，Effect of short board),对于大多数使用以太网的局域网来说，MTU=1500。MSS往往基于MTU计算出来，通常MSS=MTU-sizeof(IP Header)-sizeof(TCP Header)=1500-20-20=1460
  • sackOK 确认字段

连接建立之后，我们在发送一条命令

23:08:44.906783 IP localhost.48387 > localhost.entextxid: Flags [P.], seq 1:8, ack 1, win 512, options [nop,nop,TS val 4018453340 ecr 4018450643], length 7

23:08:44.906802 IP localhost.entextxid > localhost.48387: Flags [.], ack 8, win 512, options [nop,nop,TS val 4018453340 ecr 4018453340], length 0

23:08:44.906997 IP localhost.entextxid > localhost.48387: Flags [P.], seq 1:1174, ack 8, win 512, options [nop,nop,TS val 4018453340 ecr 4018453340], length 1173

23:08:44.907008 IP localhost.48387 > localhost.entextxid: Flags [.], ack 1174, win 531, options [nop,nop,TS val 4018453340 ecr 4018453340], length 0

3、那四次分手呢？

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。这个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

第一次分手：主机1（可以使客户端，也可以是服务器端），设置Sequence Number和Acknowledgment Number，向主机2发送一个FIN报文段；此时，主机1进入FIN_WAIT_1状态；这表示主机1没有数据要发送给主机2了；

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第二次分手：主机2收到了主机1发送的FIN报文段，向主机1回一个ACK报文段，Acknowledgment Number为Sequence Number加1；主机1进入FIN_WAIT_2状态；主机2告诉主机1，我也没有数据要发送了，可以进行关闭连接了；

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第三次分手：主机2向主机1发送FIN报文段，请求关闭连接，同时主机2进入CLOSE_WAIT状态；

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第四次分手：主机1收到主机2发送的FIN报文段，向主机2发送ACK报文段，然后主机1进入TIME_WAIT状态；主机2收到主机1的ACK报文段以后，就关闭连接；此时，主机1等待2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那好，主机1也可以关闭连接了。

【linux】关于TCP三次握手和四次挥手

至此，TCP的四次分手就这么愉快的完成了

4、为什么要三次握手

  • 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_SENT: 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。（发送端）
  • SYN_RCVD: 这个状态与SYN_SENT遥想呼应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。（服务器端）
  • ESTABLISHED：这个容易理解了，表示连接已经建立了。

既然总结了TCP的三次握手，那为什么非要三次呢？怎么觉得两次就可以完成了。那TCP为什么非要进行三次连接呢？在谢希仁的《计算机网络》中是这样说的：

为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端，因而产生错误。

在书中同时举了一个例子，如下：

“已失效的连接请求报文段”的产生在这样一种情况下：client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某个网络结点长时间的滞留了，以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。本来这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。于是就向client发出确认报文段，同意建立连接。假设不采用“三次握手”，那么只要server发出确认，新的连接就建立了。由于现在client并没有发出建立连接的请求，因此不会理睬server的确认，也不会向server发送数据。但server却以为新的运输连接已经建立，并一直等待client发来数据。这样，server的很多资源就白白浪费掉了。采用“三次握手”的办法可以防止上述现象发生。例如刚才那种情况，client不会向server的确认发出确认。server由于收不到确认，就知道client并没有要求建立连接。”

这就很明白了，防止了服务器端的一直等待而浪费资源。

5、为什么要四次分手

TCP协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的运输层通信协议，是全双工模式，因此每个方向都必须单独进行关闭。这个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

当主机1发出FIN报文段时，只是表示主机1已经没有数据要发送了，主机1告诉主机2，它的数据已经全部发送完毕了；但是，这个时候主机1还是可以接受来自主机2的数据；当主机2返回ACK报文段时，表示它已经知道主机1没有数据发送了，但是主机2还是可以发送数据到主机1的；当主机2也发送了FIN报文段时，这个时候就表示主机2也没有数据要发送了，就会告诉主机1，我也没有数据要发送了，之后彼此就会愉快的中断这次TCP连接。如果要正确的理解四次分手的原理，就需要了解四次分手过程中的状态变化。

  • 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。（主动方）
  • 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(ACK信息)，稍后再关闭连接。（主动方）
  • 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。（被动方）
  • 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。（被动方）
  • 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FINWAIT1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。（主动方）
  • CLOSED: 表示连接中断。

6、为什么采用3次握手而不是2次握手

如果两次握手的话,客户端有可能因为网络阻塞等原因会发送多个请求报文,这时服务器就会建立连接,浪费掉许多服务器的资源.

7、为什么建立连接是三次握手，而关闭连接却是四次挥手呢

这是因为服务端在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时，当收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，己方也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即close，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送。

8、为什么在四次挥手中必须等待2MSL的时间

什么是2MSL

MSL是Maximum Segment Lifetime,译为“报文最大生存时间”，他是任何报文在网络上存在的最长时间，超过这个时间报文将被丢弃。

2MSL即两倍的MSL，TCP的TIME_WAIT状态也称为2MSL等待状态，当TCP的一端发起主动关闭，在发出最后一个ACK包后，即第3次握手完成后发送了第四次握手的ACK包后就进入了TIME_WAIT状态，必须在此状态上停留两倍的MSL时间。（RFC 793中规定MSL为2分钟，实际应用中常用的是30秒，1分钟和2分钟等）

等待2MSL时间主要目的是怕最后一个ACK包对方没收到，那么对方在超时后将重发第三次握手的FIN包，主动关闭端接到重发的FIN包后可以再发一个ACK应答包。在TIME_WAIT状态时两端的端口不能使用，要等到2MSL时间结束才可继续使用。当连接处于2MSL等待阶段时任何迟到的报文段都将被丢弃。不过在实际应用中可以通过设置SO_REUSEADDR选项达到不必等待2MSL时间结束再使用此端口。

生存时间：TCP报文（segment）是IP数据报（datagram）的数据部分，而IP头中有一个TTL域，TTL是time to live的缩写，中文可以译为“生存时间”，这个生存时间是由源主机设置初始值但不是存的具体时间，而是存储了一个IP数据报可以经过的最大路由数，每经过一个处理他的路由器此值就减1，当此值为0则数据报将被丢弃，同时发送ICMP报文通知源主机。

TTL与MSL是有关系的但不是简单的相等的关系，MSL要大于等于TTL。

为什么TIME_WAIT状态需要保持2MSL这么长的时间

如果TIME_WAIT状态保持时间不足够长，第一个连接就正常终止了。第二个拥有相同五元组的连接出现，而第一个连接的重复报文到达，干扰了第二个连接。TCP事先必须防止某个连接的重复报文在连接终止后出现，所以让TIME_WAIT状态保持时间足够长(2MSL)，连接相应方向的上的TCP报文要么完全响应完毕，要么被丢弃。建立第二个连接的时候，不会混淆。

9、TIME_WAIT产生原因

a）nginx使用了短连接方式，可能会造成大量处于TIME_WAIT状态的连接

b）TCP/IP设计者本来是这么设计的，防止上一次连接中的包，迷路后重新出现，影响新连接（经过2MSL，上一次连接中所有的重复包都会消失）；可靠的关闭TCP连接主动关闭方发送的最后一个 ack(fin) ，有可能丢失，这时被动方会重新发fin, 如果这时主动方处于CLOSED 状态，就会响应rst 而不是ack。所以主动方要处于 TIME_WAIT 状态，而不能是CLOSED

c）过多TIME_WAIT的解决方法

net.ipv4.tcp_syncookies = 1 //表示开启SYN Cookies。当出现SYN等待队列溢出时，启用cookies来处理，可防范少量SYN攻击，默认为0，表示关闭；

net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1 //表示开启重用。允许将TIME-WAIT sockets重新用于新的TCP连接，默认为0，表示关闭；

net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1 //表示开启TCP连接中TIME-WAIT sockets的快速回收，默认为0，表示关闭。

net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30 //表示如果套接字由本端要求关闭，这个参数决定了它保持在FIN-WAIT-2状态的时间。

net.ipv4.tcp_keepalive_time = 1200 //表示当keepalive起用的时候，TCP发送keepalive消息的频度。缺省是2小时，改为20分钟。

net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65000 //表示用于向外连接的端口范围。缺省情况下很小：32768到61000，改为1024到65000。

net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 8192 //表示SYN队列的长度，默认为1024，加大队列长度为8192，可以容纳更多等待连接的网络连接数。

net.ipv4.tcp_max_tw_buckets = 5000 //表示系统同时保持TIME_WAIT套接字的最大数量，如果超过这个数字，TIME_WAIT套接字将立刻被清除并打印警告信息,默认为180000，改为5000。

对于Apache、Nginx等服务器，上几行的参数可以很好地减少TIME_WAIT套接字数量，但是对于Squid，效果却不大。此项参数可以控制TIME_WAIT套接字的最大数量，避免Squid服务器被大量的TIME_WAIT套接字拖死。

参考文章

http://www.cnblogs.com/tankxiao/archive/2012/10/10/2711777.html

http://blog.csdn.net/whuslei/article/details/6667471

http://molewan.blog.51cto.com/287340/114592

http://www.jellythink.com/archives/705

https://wiki.wireshark.org/DisplayFilters

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