TCP协议

TCP是一个面向连接的协议，所以在连接双方发送数据之前，都需要首先建立一条连接。这和前面讲到的协议完全不同。前面讲的所有协议都只是发送数据而已，大多数都不关心发送的数据是不是送到，UDP尤其明显，从编程的角度来说，UDP编程也要简单的多，UDP都不用考虑数据分片。
TCP/IP协议详解一书中用telnet登陆退出来解释TCP协议连接的建立和中止的过程，可以看到，TCP连接的建立可以简单的称为三次握手，而连接的中止则可以叫做四次握手。

连接

连接的建立

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

1. TCP三次握手

   • 客户端的TCP进程也首先创建传输控制模块TCB，然后向服务端发出连接请求报文段，该报文段首部中的SYN=1，ACK=0，同时选择一个初始序号 seq=i。TCP规定，SYN=1的报文段不能携带数据，但要消耗掉一个序号。这时，TCP客户进程进入SYN—SENT（同步已发送）状态，这是 TCP连接的第一次握手。
   • 服务端收到客户端发来的请求报文后，如果同意建立连接，则向客户端发送确认。确认报文中的SYN=1，ACK=1，确认号ack=i+1，同时为自己 选择一个初始序号seq=j。同样该报文段也是SYN=1的报文段，不能携带数据，但同样要消耗掉一个序号。这时，TCP服务端进入SYN—RCVD（同 步收到）状态，这是TCP连接的第二次握手。
   • TCP客户端进程收到服务端进程的确认后，还要向服务端给出确认。确认报文段的ACK=1，确认号ack=j+1，而自己的序号为seq=i+1。 TCP的标准规定，ACK报文段可以携带数据，但如果不携带数据则不消耗序号，因此，如果不携带数据，则下一个报文段的序号仍为seq=i+1。这 时，TCP连接已经建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。这是TCP连接的第三次握手，可以看出第三次握手客户端已经可以发送携带 数据的报文段了。
     当服务端收到确认后，也进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。

2. 为什么要三次握手
   目的是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。

   • 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。若不采用“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。
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     三次握手是双方建立连接认证的最小保证。

3. TCP三次握手失败
   我们总是要考虑网络是不可靠的。所以三次握手是存在失败的概率的。
   • 如果server端接到了clien发的SYN后回了SYN-ACK后，之后server没有收到clien发送的ACK，会怎么样？

     此时server端处于SYN—RCVD,根据TCP的重发机制，在server发送SYN-ACK后，会启动一个重传定时器，当在指定时间内没有收到客户端发来的ACK报文时，就会重新发送SYN-ACK报文，并重置记时器。当然，这也不是无休止的，在Linux下，默认重试次数为5次，重试的间隔时间从1s开始每次都翻售，5次的重试时间间隔为1s, 2s, 4s, 8s, 16s，总共31s，第5次发出后还要等32s都知道第5次也超时了。Server重发SYN+ACK包的次数，可以通过设置/proc/sys/net/ipv4/tcp_synack_retries修改，默认值为5。

   • 那么client端会怎么样呢？

     客户端认为连接建立，写数据时，会触发RST
     如果重发指定次数后，仍然未收到ACK应答，那么一段时间后，Server自动关闭这个连接。
     但是Client认为这个连接已经建立，如果Client端向Server写数据，Server端将以RST包响应，方能感知到Server的错误。

4. SYN攻击
   当正常TCP连接开始时，目的地主机将收到源主机发出的SYN(synchronize/start)信息包，并发回同步应答(同步承认)。 连接建立之前，目的地主机必须监听SYN ACK的ACK（确认）。
   等待同步应答（SYN ACK）的确认（ACK）时，目的地主机上的大小有限的连接队列将记录等待完成的连接。 因为ACK预计在同步应答后几毫秒内到达，此队列通常迅速倒空。
   TCP SYN攻击利用了此设计，由攻击源主机（相对于受害主机）生成带有随机源地址的TCP同步信息包。 受害目的地主机发送同步应答回到随机源地址，并且在连接队列中添加新条目。 因为同步应答指定用于不正确或不存在的主机，因此“三方握手”的最后部件永远不会完成，并且条目保留在连接队列中，直到计时器到期，保留时间通常为一分钟。 从随机IP地址快速生成欺骗性TCP同步信息包，有可能填满连接队列，并拒绝合法用户请求的TCP服务。

连接的中断

四次挥手

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，

1. 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。
   • 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。
   • 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。
   • 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。
   • 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。
     其实四次挥手只是两次挥手的叠交，一方为被动关闭。

为什么要四次挥手

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。TCP是全双工模式，这就意味着，当client发出FIN报文段时，只是表示client已经没有数据要发送了，client告诉server，数据传输完毕；但是server还有数据要穿，所以client还要继续接受server的数据；当server返回ACK报文段时，表示它已经知道client没有数据发送了，但是server还是可以发送数据到client的；当server也发送了FIN报文段时，这个时候就表示server也没有数据要发送了，就会告诉client，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。

四次挥手的状态

• 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）
  注：
  为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态？
  答：虽然按道理，四个报文都发送完毕，我们可以直接进入CLOSE状态了，但是我们必须假象网络是不可靠的，有可以最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。
  如果目前连接的通信双方都已经调用了close()，假定双方都到达CLOSED状态，而没有TIME_WAIT状态时，就会出现如下的情况。现在有一个新的连接被建立起来，使用的IP地址与端口与先前的完全相同，后建立的连接又称作是原先连接的一个化身。还假定原先的连接中有数据报残存于网络之中，这样新的连接收到的数据报中有可能是先前连接的数据报。为了防止这一点，TCP不允许从处于TIME_WAIT状态的socket建立一个连接。处于TIME_WAIT状态的socket在等待两倍的MSL时间以后（之所以是两倍的MSL，是由于MSL是一个数据报在网络中单向发出到认定丢失的时间，一个数据报有可能在发送图中或是其响应过程中成为残余数据报，确认一个数据报及其响应的丢弃的需要两倍的MSL），将会转变为CLOSED状态。这就意味着，一个成功建立的连接，必然使得先前网络中残余的数据报都丢失了。