TCP三次握手机制分析及其实现

2022-05-09 02:33:28

一、TCP报文格式

TCP报文格式图：

      上图中有几个字段介绍下：
      （1）序号：Seq序号，占32位，用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流，发起方发送数据时对此进行标记。
    （2）确认序号：Ack序号，占32位，只有ACK标志位为1时，确认序号字段才有效，Ack=Seq+1。
      （3）标志位：共6个，即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等，具体含义如下：
            （A）URG：紧急指针（urgent pointer）有效。
              （B）ACK：确认序号有效。
              （C）PSH：接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
              （D）RST：重置连接。
              （E）SYN：发起一个新连接。
              （F）FIN：释放一个连接。

二、三次握手的机制与过程

所谓三次握手（Three-Way Handshake）即建立TCP连接，就是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送3个包以确认连接的建立。在socket编程中，这一过程由客户端执行connect来触发，整个流程如下图所示：

为什么需要三次握手：
假设 client 的连接请求延迟，client 就会发出第二次连接请求，server 端回复后则建立了连接，进行通信。等到通信结束，连接关闭，此时有可能第一次的连接请求才到 server 端，那么此时server 回复报文之后，就认为连接已建立，但在 client 端看来，根本没有发起连接请求（连接建立重试后，已完成通信并关闭连接），所以会忽略 server 端的报文，也不会向这个链接发送数据。此时对于 server 端来说，就会因为维护这个链接而导致资源浪费。

三次握手的详细过程如下：

      （1）第一次握手：Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。
      （2）第二次握手：Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。
      （3）第三次握手：Client收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

关于SYN攻击：
              在三次握手过程中，Server发送SYN-ACK之后，收到Client的ACK之前的TCP连接称为半连接（half-open connect），此时Server处于SYN_RCVD状态，当收到ACK后，Server转入ESTABLISHED状态。SYN攻击就是Client在短时间内伪造大量不存在的IP地址，并向Server不断地发送SYN包，Server回复确认包，并等待Client的确认，由于源地址是不存在的，因此，Server需要不断重发直至超时，这些伪造的SYN包将产时间占用未连接队列，导致正常的SYN请求因为队列满而被丢弃，从而引起网络堵塞甚至系统瘫痪。SYN攻击时一种典型的DDOS攻击，检测SYN攻击的方式非常简单，即当Server上有大量半连接状态且源IP地址是随机的，则可以断定遭到SYN攻击了，使用如下命令可以让之现行：
              #netstat -nap | grep SYN_RECV

整个TCP状态图示意如下：

三、 Linux中TCP握手过程实现

　　在Linux应用编程如果设置为非阻塞模式，则连接时，connect发送SYN包后立即返回-EINPROGRESS，表示操作正在处理中；随后应用可以在connect返回后做一些其它的处理，最后在select函数中来捕获socket的连接、读写、异常事件以触发相关操作，下面我们看看内核中的相关实现：

一、客户端支持

client发送2个包，一个SYN包，一个对服务器的响应ACK包。

client函数调用链：connect-->sys_connect->inet_stream_connect->tcp_connect...
看inet_stream_connect中实现的部分代码段：

switch (sock->state) {
     ...        
                /*此处调用tcp_connect函数发送SYN包*/
       err = sk->prot->connect(sk, uaddr, addr_len);       
  if (err < 0)  //出错则退出
   goto out;
       sock->state = SS_CONNECTING;

  /* 此处仅设置socket的状态为SS_CONNECTING表示连接状态正在处理;
   * 不同之处在于非阻塞情况下，返回值设置为-EINPROGRESS表示操作正在处理
   * 而阻塞式情况则在获得ACK包后将返回值置为-EALREADY.
   */
  err = -EINPROGRESS;
  break;
      }
     
      timeo = sock_sndtimeo(sk, flags&O_NONBLOCK); //注意，如果此时设置了非阻塞选项，则timeo返回0
        //如果socket对应的sock状态是SYN包已发送或收到SYN包并发送了ACK包，并等待对端发送第三此的ACK包
 if ((1<<sk->state)&(TCPF_SYN_SENT|TCPF_SYN_RECV)) {
  /* 错误返回码err前面已经设置 */
  if (!timeo || !inet_wait_for_connect(sk, timeo))
  /*注意上面所判断的2中情况，1、如果是非阻塞模式，则!timeo为1，则直接跳到out返回-EINPROGRESS结束connect函数
    2、若为阻塞模式，则在inet_wait_for_connect函数中通过schedule_timeout函数放弃cpu控制权睡眠，等待服务器端
    发送ACK响应包后被唤醒继续处理。如果没有异常出现，则置socket状态为SS_CONNECTED，表示连接成功，正确返回
  */
   goto out;
  
  err = sock_intr_errno(timeo);
  if (signal_pending(current)) /*处理未决信号*/
   goto out;
 }
 ...
 sock->state = SS_CONNECTED;
 err = 0;
     out:
 release_sock(sk);
 return err;

    上面的描述有一个问题：对服务器的响应ACK包是什么时候发送的？对于非阻塞模式，应该是应用处理过程中的某个异步时间；对于阻塞模式，则是在inet_wait_for_connect函数中睡眠时处理。即网卡在收到对方的ack包后，上传给对应的socket时发送服务器的响应ACK包，函数调用链为：netif_rx-->net_rx_action-->...(IP层处理)-->tcp_v4_rcv-->tcp_v4_do_rcv-->tcp_rcv_state_process-->tcp_rcv_synsent_state_process-->tcp_send_synack-->tcp_transmit_skb...
    发送SYN包后，socket对应的sock的状态变成TCPF_SYN_SENT，网卡收到服务器的ack传到tcp层时，根据TCPF_SYN_SENT状态，做相关判断后再发送用于第三次握手的ack包。至此，将socket的状态改为连接建立，即TCP_ESTABLISHED。具体的代码大家可以根据我提供的函数调用链查看。
    注意，以TCPF_前缀开头的状态都表示是中间状态，而已TCP_为前缀的状态才是socket的一个相对稳定的状态。

二、服务器端支持

    服务器端此时必须是监听状态，则其函数调用链为：
          netif_rx-->net_rx_action-->...(IP层处理)-->tcp_v4_rcv-->tcp_v4_do_rcv-->
          tcp_rcv_state_process-->tcp_v4_conn_request-->tcp_v4_send_synack...
    在tcp_v4_conn_request,中部分代码如下：

    case TCP_LISTEN:
  if(th->ack) /*监听时收到的ack包都丢弃？*/
   return 1;

  if(th->syn) {/*如果是SYN包,则调用tcp_v4_conn_request*/
   if(tp->af_specific->conn_request(sk, skb) < 0)
    return 1;
    ...