Tcp协议学习

TCP是OSI模型中传输层的协议，是专门用来为应用提供稳定可靠的连接。

1.TCP协议中一些专有名词：

（1）MSS:TCP最大报文段大小，在TCP报文中有一个16位的位置用于放置该值，因此它的最大大小为65535，另外可以使用setsockopt（）和getsockopt（）来分别设置和获取TCP_MAXSEG来设置该值。

（2）MSL：IP报文段能在网络中存在的最大时间，LINUX系统下没有接口可以修改该值，一般为2分钟。

（3）TTL:是指ip网络报能在网络经历的最大跳数，即能够经过的最大路由数，该值放在ip报文的首部，是一个8位数值，因此最大为255，可以通过setsockopt（）函数设置。

（4）RTT：指客户端到服务器往返所需要的时间，这取决于网络拥塞的情况。

（5）MTU：最大传输单元，由硬件决定。

2.TCP报文头中标志位的含义

（1）URG

紧急标志位，当这个标志置1时，TCP报文中的16位紧急指针就有效，这个紧急指针就是指紧急数据的偏移量，一共这么多字节；

（2）ACK

确认序号有效，表示收到指定序号的TCP报文；

（3）PSH

指示接收方应该尽快将这个报文段交给应用层，这个PSH标志位跟socket中的no_delay方法相关联，就是设置发送不延迟，发送方不管发送内容有多小，都直接发送，接收方接收到这个数据后不等待，直接将数据交由应用程序处理；这个就是关闭TCP中数据发送的Nagle算法（Nagle算法是指在TCP连接上最多只能有一个未被确认的未完成小分组，在该分组的确认到达之前不发送其他小分组，而是将这些小分组缓存起来等确认到达时以一个大分组的形式发出去，这样可以有效避免过多的小分组出现在网络中导致数据传送效率低，网络拥塞）；

（4）SYN

TCP建立连接的标志；

（5）FIN

发送端完成发送任务，TCP关闭连接的标志；

（6）RST

重置连接，这个标志位通常用来表示连接的异常断开，RST标志位表示TCP连接出现硬错误；

TCP/IP协议三次握手与四次握手流程解析

 

一、TCP报文格式
  TCP/IP协议的详细信息参看《TCP/IP协议详解》三卷本。下面是TCP报文格式图：

图1 TCP报文格式
  上图中有几个字段需要重点介绍下：
  （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。

 需要注意的是：
  （A）不要将确认序号Ack与标志位中的ACK搞混了。
  （B）确认方Ack=发起方Req+1，两端配对。 

二、三次握手
  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：

图2 TCP三次握手
  （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。
 
  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

三、四次挥手
 三次握手耳熟能详，四次挥手估计就，所谓四次挥手（Four-Way Wavehand）即终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。在socket编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发，整个流程如下图所示：

图3 TCP四次挥手
  由于TCP连接时全双工的，因此，每个方向都必须要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭，上图描述的即是如此。
 （1）第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN_WAIT_1状态。
  （2）第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），Server进入CLOSE_WAIT状态。
 （3）第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK状态。
  （4）第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。
  上面是一方主动关闭，另一方被动关闭的情况，实际中还会出现同时发起主动关闭的情况，具体流程如下图：

图4 同时挥手
  流程和状态在上图中已经很明了了，在此不再赘述，可以参考前面的四次挥手解析步骤。

四、附注
  关于三次握手与四次挥手通常都会有典型的面试题，在此提出供有需求的XDJM们参考：
  （1）三次握手是什么或者流程？四次握手呢？答案前面分析就是。
  （2）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。