三次握手和四次挥手

2023-09-24 08:06:39

1. TCP简介及报文格式

1.1 简介

TCP（Transmission Control Protocol）传输控制协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层协议。

1.2 报文格式

重要字段：

端口号：16位，用来标识同一台计算机的不同的应用进程。

1）源端口：源端口和IP地址的作用是标识报文的返回地址。
2）目的端口：端口指明接收方计算机上的应用程序接口。

序号：Seq序号，32位，一次TCP通信 (从TCP连接建立到断开) 过程中某一个传输方向上的字节流的每个字节的编号。
确认序号：ACK序号，32位，用作对另一方发送来的TCP报文段的响应。只有ACK标志位为1时，确认序号字段才有效，其值是收到的TCP报文段的序号值加1。

标志位：共6个，即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN 等。

标志位	名称	具体含义
URG	紧急标志	紧急指针（urgent pointer）有效
ACK	确认标志	确认序号有效
PSH	推标志	接收方应尽快将报文交给应用层
RST	复位标志	重置连接
SYN	同步标志	发起一个新连接
FIN	结束标志	释放一个连接

2. 三次握手（Three-way Handshake）

2.1 含义

建立TCP连接时，客户端和服务器总共发送3个包。

2.2 三次握手过程

客户端发送syn报文。SYN标志为1，指明客户端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。
服务器发回确认syn+ack报文。SYN标志为1，确认序号(Acknowledgement Number)为客户端的序列号加1，即X+1，并设置发送序号为Y。
客户端再次发送ack报文。 SYN标志位为0，确认序号(Acknowledgement Number)为服务器的序列号加1，即Y+1，并设置发送序号为Z。

问题1：为什么两次握手不行？

三次握手是为了让双方验证各自接收能力和发送能力。

1st：A发送SYN给B，B接收到。这里B能确认A的发送能力和B的接收能力。
2nd：B发送SYNACK给A，A收到。这里A能确认A的接收能力和B的发送能力。此外，A收到SYNACK，说明前面A的SYN成功到达B，也能确认A自己的发送能力和B的接收能力。至此，A已经确认双方各自发送能力和接收能力OK，因此转为ESTABLISHED状态。
3rd：A发送ACK到B，B接收。这里B能确认A的发送能力和B的接收能力。由于B能收到ACK，说明前面发送的SYNACK已经被接受了，说明A的接收能力和B的发送能力正常。

若使用两次握手，就不能确认上述四种能力，可能有问题。

假定A发的SYN报文没消失，而是在某网络节点长时间滞留了，以至于到连接释放后的某个时间才到达B。
本来这是一个早已失效的报文段，但B收到此失效连接请求报文段后，却误以为是A又发出一次新的连接请求，于是B就发出确认报文段，同时建立连接。
由于现在A并没有发出建立连接请求，因此不理睬B的SYNACK报文，也不会向B发送数据，但B却以为新连接已经建立，并一直等待A发来的数据，B的许多资源被白白浪费。

问题2：三次握手过程中可以携带数据吗？

前两次不行，第三次可以携带。假如第一次可以，如果有人恶意攻击服务器，那他在第一次SYN 报文中放入大量数据。因为攻击者根本不理会服务器的接收、发送能力是否正常，只是疯狂重复发 SYN 报文，这会让服务器花费很多内存与时间来接收这些报文。也就是说，第一次握手不能放数据，1个简单原因服务器会更容易受到攻击。而对于第三次，此时客户端处于 ESTABLISHED 状态，已经建立起连接，知道服务器接收与发送能力正常，所以携带数据也没毛病。

问题3：ISN（Initial Sequence Number）是固定的吗？

不固定，client_isn是随机生成的，而server_isn则需要根据SYN报文中的源、IP和端口，加上服务器本身密码数进行相同散列得到，显然也不固定。

问题4：第三次握手失败了怎么办？

在第2次握手中，server向client发送SYN+ACK报文后，就会启动一个定时器，等待client返回的ACK报文。
如果第三次失败，client给server返回了ACK报文，server并不能收到这个ACK报文。那server就会启动超时重传机制，超过规定时间会重新发起第2次握手，向client发送SYNACK。重传次数默认5次。
如果到重传指定次数，仍未收到ACK应答，那一段时间后server会关闭这个连接。但client认为这个连接已建立，如果它向server写数据，server将回应RST包、强制关闭TCP连接，以防止SYN攻击。

问题5：什么是SYN攻击？如何防范？

在三次握手过程中，服务器发送SYN-ACK之后，收到客户端ACK之前的TCP连接称为半连接（half-open connect）。此时服务器处于SYN-RECV。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，向服务器不断发送SYN包，服务器回复确认包，并等待客户确认。由于源地址不存在，服务器需要不断重发直至超时，这些伪造SYN包将长时间占用未连接队列，正常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攻击是一种典型的DoSe/DDoS攻击。

问题6：如何检测SYN攻击？

检测SYN攻击非常方便，当你在服务器上看到大量半连接状态时，特别是IP地址是随机的，基本可以断定这是一次SYN攻击，在Linux/Unix可用netstat命令检测。

问题7：如何防御SYN攻击？

SYN攻击不能完全被阻止，除非重新设计TCP协议。能做的就是就是尽可能减轻SYN攻击危害，常见防御方法有：缩短超时（SYN Timeout）时间、增大最大半连接数、过滤网关防护、SYN cookies技术。

问题8：握手过程中除了序号的同步，还会同步什么信息？

1）序号；
2）标志位：SYN（发起一个连接）、ACK（确认序号有效）；
3）窗口（流量控制中的接收窗口）。

问题9：通过什么方式去知道某台电脑上还能建立多少个TCP连接？

系统用四元组{Local IP，Local Port，Remote IP，Remote Port} 来唯一标识TCP连接。

Client发起TCP连接时，系统通常会选取一个空闲本地端口（Local Port），该端口，类型是Unsigned short，最大65536，端口0有特殊含义，因此最大可用端口，即最大TCP连接数只有65535。

Server部分的Remote IP和Remote Port可变，因此最大TCP连接为客户端IP数*客户端Port数，IPV4简单情况（不考虑地址分类）最大连接数为2³²（IP数）* 2¹⁶（Port数），也就是Server端单机最大TCP连接数约为2⁴⁸ 。

3. 四次挥手（four-way handshake）

3.1 含义

TCP连接拆除需要发送四个包，因此称为四次挥手。

Client或Server均可主动发起。在socket编程中，执行close()操作即可产生挥手操作。

3.2 四次挥手过程

客户端A发送一个FIN，用来关闭客户A到服务器B的数据传送。
服务器B收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。
服务器B关闭与客户端A的连接，发送一个FIN给客户端A。
客户端A发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1。

3.3 深入理解TCP连接的释放

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。
TCP协议的连接是全双工连接，一个TCP连接存在双向的读写通道。
简单说来是 “先关读，后关写”，一共需要四个阶段。以客户机发起关闭连接为例：

服务器读通道关闭
客户机写通道关闭
客户机读通道关闭
服务器写通道关闭

关闭行为是在发起方数据发送完毕之后，给对方发出一个FIN（finish）数据段。直到接收到对方发送的FIN，且对方收到了接收确认ACK之后，双方的数据通信完全结束，过程中每次接收都需要返回确认数据段ACK。

3.4 TCP状态迁移

客户端TCP状态迁移：

CLOSED->SYN_SENT->ESTABLISHED->FIN_WAIT_1->FIN_WAIT_2->TIME_WAIT->CLOSED

服务器TCP状态迁移：

CLOSED->LISTEN->SYN收到->ESTABLISHED->CLOSE_WAIT->LAST_ACK->CLOSED

各个状态的意义如下：

LISTEN - 侦听来自远方TCP端口的连接请求； 
SYN-SENT - 在发送连接请求后等待匹配的连接请求； 
SYN-RECEIVED - 在收到和发送一个连接请求后等待对连接请求的确认； 
ESTABLISHED - 代表一个打开的连接，数据可以传送给用户； 
FIN-WAIT-1 - 等待远程TCP的连接中断请求，或先前的连接中断请求的确认；
FIN-WAIT-2 - 从远程TCP等待连接中断请求； 
CLOSE-WAIT - 等待从本地用户发来的连接中断请求； 
CLOSING - 等待远程TCP对连接中断的确认； 
LAST-ACK - 等待原来发向远程TCP的连接中断请求的确认； 
TIME-WAIT - 等待足够的时间以确保远程TCP接收到连接中断请求的确认； 
CLOSED - 没有任何连接状态；

SYN_RECV

服务端收到建立连接的SYN没有收到ACK包的时候处在SYN_RECV状态。处在SYNC_RECV的TCP连接称为半连接，并存储在内核的半连接队列中，在内核收到对端发送的ack包时会查找半连接队列，并将符合的requst_sock信息存储到完成三次握手的连接的队列中，然后删除此半连接。

CLOSE_WAIT

发起TCP连接关闭的一方称为client，被动关闭的一方称为server。在已经接收到FIN，但是还没有发送自己的FIN的时刻，连接处于CLOSE_WAIT状态。出现这种状况一般都是由于server端代码的问题，如果服务器出现大CLOSE_WAIT，应该要考虑检查代码。

TIME_WAIT

根据TCP协议定义的3次握手断开连接规定,发起socket主动关闭的一方 socket将进入TIME_WAIT状态。TIME_WAIT状态将持续2个MSL(Max Segment Lifetime),在Windows下默认为4分钟，即240秒。TIME_WAIT状态下的socket不能被回收使用。

问题1：为什么建立连接是三次握手，而关闭连接却是四次挥手呢？

关键在中间两步：

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，收到对方的FIN报文时，仅表示对方不再发送，但还能接收数据，己方也未必全部发送完毕。所以只能先回复一个ACK报文，告诉客户端“你发的FIN报文已收到”。等服务器所有报文发送/接收完，才能发送FIN报文。因此ACK和SYN分开发送，要四次握手。

问题2：四次挥手释放连接时，等待2MSL的意义？

保证客户端发送的最后1个ACK报文能到达服务器。假设网络不可靠，ACK报文丢失。如果服务端发出FIN报文后没收到ACK报文，就会重发FIN报文（收到不再发），此时处于TIME-WAIT的客户端就会重发ACK报文。
当然，客户端也不能无限等待这个FIN报文，需要设置一个定时器，2MSL正好，因为1个最大发送和1个回复最长时间没收到FIN，可以推断ACK报文已经被服务器接收，所以结束TCP连接。
防止已失效的连接请求报文段出现在新连接中。客户端发完最后1个ACK报文后，再经过2MSL时间，就可以使网络不通畅产生的滞留报文段失效，这样下一个新连接中就不会出现旧的连接请求报文。

问题3：四次挥手过程中服务端的哪几种状态，哪几种包？

收到FIN之前是ESTABLISHED状态；
发完ACK过程变为CLOSE_WAIT（关闭等待） 状态；
发完FIN报文后是LAST_ACK（最后确认） 状态；
收到客户端ACK报文后变为CLOSED状态。

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