TCP三次握手与四次挥手详解

@(TCP/IP)

[TOC]

1.TCP报文格式

TCP(Transmission Control Protocol)　传输控制协议。TCP是主机对主机层的传输控制协议，提供可靠的连接服务，采用三次握手确认建立一个连接。

我们需要知道TCP在网络OSI的七层模型中的第四层（Transport层），IP在第三层（Network层），第二层（Data Link层），在第二层上的数据，我们叫Frame，在第三层上的数据叫Packet，第四层的数据叫Segment。

TCP传输控制协议是面向连接的可靠的传输层协议，在进行数据传输之前，需要在传输数据的两端（客户端和服务器端）创建一个连接，这个连接由一对插口地址唯一标识，即是在IP报文首部的源IP地址、目的IP地址，以及TCP数据报首部的源端口地址和目的端口地址

上图中有几个字段需要重点介绍下：

（1）Sequence Number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。是包的序号，用来解决网络包乱序（reordering）问题。

（2）Acknowledgement Number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(urgent紧急)：紧急指针（urgent pointer）有效。

b.ACK(acknowledgement 确认)：确认序号有效。

c.PSH(push传送)：接收方应该尽快将这个报文交给应用层。

d.RST(reset重置)：重置连接。

e.SYN (synchronous建立联机)：发起一个新连接。

f.FIN(finish结束)：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Seq+1，两端配对。

2.TCP三次握手

TCP是主机对主机层的传输控制协议，提供可靠的连接服务，采用三次握手确认建立一个连接。
所谓三次握手（Three-Way Handshake）即建立TCP连接，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。
使用wireshark抓包工具分析如下：

可以得出下图：

解释如下：
第一次握手：Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=x，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。

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 (number )=x+1，随机产生一个值seq=y，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。

第三次握手：Client收到确认后，检查ack是否为y+1，标志位ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=y+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为y+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。

3.TCP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。

连接双方在完成数据传输之后就需要断开连接。由于TCP连接是属于全双工的，即连接双方可以在一条TCP连接上互相传输数据，因此在断开时存在一个半关闭状态，即有有一方失去发送数据的能力，却还能接收数据。因此，断开连接需要分为四次
使用wireshark抓包工具分析如下：

流程如下：

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。

第一次挥手：Client将标志位FIN和ACK置为1并且发送发送一个FIN和ACK，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Ack为收到Seq+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），序号Seq=1，Server进入CLOSE_WAIT状态。

第三次挥手：Server发送一个FIN，标志位FIN和ACK置为1，用来关闭Server到Client的数据传送，Seq=y，Ack=上次的Seq+1，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Ack为收到序号Seq+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。

4.为什么建立连接需要三次握手？

TCP是主机对主机层的传输控制协议，提供可靠的连接服务，采用三次握手确认建立一个连接。确保数据能够完整传输。
这是因为服务端的LISTEN状态下的SOCKET当收到SYN报文的建连请求后，它可以把ACK和SYN（ACK起应答作用，而SYN起同步作用）放在一个报文里来发
送。

5.为什么断开连接需要四次挥手？

当被动方收到主动方的FIN报文通知时，它仅仅表示主动方没有数据再发送给被动方了。
但未必被动方所有的数据都完整的发送给了主动方，所以被动方不会马上关闭SOCKET,它可能还需要发送一些数据给主动方后，再发送FIN报文给主动方，告诉主动方同意关闭连接，所以这里的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的。

6.为什么TIME_WAIT状态还需要等2MSL后才能返回到CLOSED状态？

这是因为虽然双方都同意关闭连接了，而且握手的4个报文也都协调和发送完毕，按理可以直接回到CLOSED状态（就好比从SYN_SEND状态到ESTABLISH状态那样）；但是因为我们必须要假想网络是不可靠的，你无法保证你最后发送的ACK报文会一定被对方收到，因此对方处于LAST_ACK状态下的SOCKET可能会因为超时未收到ACK报文，而重发FIN报文，所以这个TIME_WAIT状态的作用就是用来重发可能丢失的ACK报文。

7.SYN攻击原理

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包将长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，使用如下命令可以可以查看SYN_RECV状态：

# netstat -nap | grep SYN_RECV 

关于建连接时SYN超时：试想一下，如果server端接到了clien发的SYN后回了SYN-ACK后client掉线了，server端没有收到client回来的ACK，那么，这个连接处于一个中间状态，即没成功，也没失败。于是，server端如果在一定时间内没有收到的TCP会重发SYN-ACK。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，所以，总共需要 1s + 2s + 4s+ 8s+ 16s + 32s = 2^6 -1 = 63s，TCP才会把断开这个连接。

关于SYN Flood攻击：一些恶意的人就为此制造了SYN Flood攻击——给服务器发了一个SYN后，就下线了，于是服务器需要默认等63s才会断开连接，这样，攻击者就可以把服务器的syn连接的队列耗尽，让正常的连接请求不能处理。于是，Linux下给了一个叫tcp_syncookies的参数来应对这个事——当SYN队列满了后，TCP会通过源地址端口、目标地址端口和时间戳打造出一个特别的Sequence Number发回去（又叫cookie），如果是攻击者则不会有响应，如果是正常连接，则会把这个 SYN Cookie发回来，然后服务端可以通过cookie建连接（即使你不在SYN队列中）。请注意，请先千万别用tcp_syncookies来处理正常的大负载的连接的情况。因为，synccookies是妥协版的TCP协议，并不严谨。对于正常的请求，你应该调整三个TCP参数可供你选择，第一个是：tcp_synack_retries 可以用他来减少重试次数；第二个是：tcp_max_syn_backlog，可以增大SYN连接数；第三个是：tcp_abort_on_overflow 处理不过来干脆就直接拒绝连接了。

参考文档

http://blog.csdn.net/hulifangjiayou/article/details/47283387
http://blog.csdn.net/yanxi252515237/article/details/51955675

《TCP那些事儿》云头条作者 陈皓