TCP传输控制协议相关知识整理

TCP Transmission Control Protocol 传输控制协议

TCP、UDP区别

  • TCP是一个面向连接的（需要三次握手建立连接）、可靠的（有状态，可控的）、基于字节流（将IP包转成字节流）的传输层协议；
  • UDP是一个面向无连接的传输层协议；
  • UDP无状态，不可控的，基于数据报，而不是字节流；

TCP三次握手

  • 双方完成三次握手后，以证明双方均具备发送、接受能力；同步序列号，只有同步了序列号才有可靠传输，TCP 许多特性都依赖于序列号实现，比如流量控制、丢包重传等，这也是三次握手中的报文称为 SYN 的原因，SYN 的全称就叫 Synchronize Sequence Numbers（同步序列号）
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  1. 最开始双方都处于CLOSED状态，然后服务端启动服务，开始监听某个端口，进入了LISTEN状态；
  2. 客户端主动发起连接，发送一个标志位为：SYN的数据包，请求进行连接 , 自己变成了SYN-SENT状态；如果客户端长时间没有收到 SYN+ACK 报文，则会重发 SYN 包，重发的次数由 tcp_syn_retries 参数控制，默认是 5 次：
  3. 服务端接收到请求并且允许连接的话，就返回一个标志位为：SYN，ACK的数据包，表示可以通讯了，自己变成了SYN-REVD；当服务端收到 SYN 包后，服务端会立马回复 SYN+ACK 包，表明确认收到了客户端的序列号，同时也把自己的序列号发给对方。
  4. 客户端再发送发送一个标志位为：ACK的数据包给服务端，自己变成了ESTABLISHED状态；服务端收到ACK之后，也变成了ESTABLISHED状态，双方建立好连接；
  5. 在网络模型中的TCP层（第4层，非第3层的Flags）有个Flags字段，这个字段有以下几个标识：SYN, FIN, ACK, PSH, RST, URG（含有SYN或FIN标志位的包并不携带有效数据）：
    1. SYN：表示请求建立连接；
    2. ACK：确认标志；
    3. RST：复位标志；
    4. URG：紧急标志；
    5. PSH：推标志，有DATA数据传输；
    6. FIN：结束标志，带有该标志置位的数据包用来结束一个TCP会话，但对应端口仍处于开放状态，准备接收后续数据。

TCP四次挥手

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  1. 客户端向服务端说 我准备断开了：客户端要断开了，向服务端发送 FIN 报文，发送后客户端变成了FIN-WAIT-1状态，同时也变成了half-close(半关闭)状态，即无法向服务端发送报文，只能接收；
  2. 服务端跟客户端说 收到，服务端接收后向客户端确认，变成了CLOSED-WAIT状态，不是马上关闭连接，客户端接收到了服务端的确认，变成了FIN-WAIT2状态；
  3. 服务端内部花了点时间处理完这个客户端的报文，然后向客户端说 我可以断开了；，服务端向客户端发送FIN，自己进入LAST-ACK状态；
  4. 客户端说 收到，客户端收到服务端发来的FIN后，自己变成了TIME-WAIT状态，然后发送 ACK 给服务端；
  5. 服务端收到ACK报文，立即关闭连接，同时客户端需要等待足够异常反馈时长后才关闭连接，具体来说，客户端是等待 2 个 MSL(Maximum Segment Lifetime，报文最大生存时间), 在这段时间内如果客户端没有收到服务端的重发请求，那么表示 ACK 成功到达，挥手结束，否则客户端重发 ACK。

TCP连接状态详解

  • LISTEN： 侦听来自远方的TCP端口的连接请求
  • SYN-SENT： 再发送连接请求后等待匹配的连接请求
  • SYN-RECEIVED：再收到和发送一个连接请求后等待对方对连接请求的确认
  • ESTABLISHED： 代表一个打开的连接
  • FIN-WAIT-1： 等待远程TCP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：等待原来的发向远程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

TCP 报文头部的字段

TCP包头结构

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TCP包的具体内容
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  1. 源端口、目标端口
    如何唯一标识一个连接？答案是 TCP 连接的四元组——源 IP、源端口、目标 IP 和目标端口。
    那 TCP 报文怎么没有源 IP 和目标 IP 呢？这是因为在 IP 层就已经处理了 IP 。TCP 只需要记录两者的端口即可，mac地址记录在第2层的数据链路层(第2层)，IP地址记录在网络层(第3层)，端口记录在传输层(第4层)

  2. 序列号
    即Sequence number, 指的是本报文段第一个字节的序列号。
    从图中可以看出，序列号是一个长为 4 个字节，也就是 32 位的无符号整数，表示范围为 0 ~ 2^32 - 1。如果到达最大值了后就循环到0。
    序列号在 TCP 通信的过程中有两个作用：

    1. 在 SYN 报文中交换彼此的初始序列号。
    2. 保证数据包按正确的顺序组装。

  3. ISN
    即Initial Sequence Number（初始序列号）,在三次握手的过程当中，双方会用过SYN报文来交换彼此的 ISN。
    ISN 并不是一个固定的值，而是每 4 ms 加一，溢出则回到 0，这个算法使得猜测 ISN 变得很困难。那为什么要这么做？
    如果 ISN 被攻击者预测到，要知道源 IP 和源端口号都是很容易伪造的，当攻击者猜测 ISN 之后，直接伪造一个 RST 后，就可以强制连接关闭的，这是非常危险的。
    而动态增长的 ISN 大大提高了猜测 ISN 的难度。

  4. 确认号
    即ACK(Acknowledgment number)。用来告知对方下一个期望接收的序列号，小于ACK的所有字节已经全部收到。

  5. 标记位
    前文已有说明，此处省略；

  6. 窗口大小
    占用两个字节，也就是 16 位，但实际上是不够用的。因此 TCP 引入了窗口缩放的选项，作为窗口缩放的比例因子，这个比例因子的范围在 0 ~ 14，比例因子可以将窗口的值扩大为原来的 2 ^ n 次方。

  7. 校验和
    占用两个字节，防止传输过程中数据包有损坏，如果遇到校验和有差错的报文，TCP 直接丢弃之，等待重传。

  8. 可选项
    可选项的格式如下:
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    常用的可选项有以下几个:

  • TimeStamp: TCP 时间戳，后面详细介绍。
  • MSS: 指的是 TCP 允许的从对方接收的最大报文段。
  • SACK: 选择确认选项。
  • Window Scale： 窗口缩放选项。

半连接队列和 SYN Flood 攻击的关系

  • 服务端在内部创建了两个队列：半连接队列和全连接队列，即SYN队列和ACCEPT队列；
  • 半连接队列
    当客户端发送SYN到服务端，服务端收到以后回复ACK和SYN，状态由LISTEN变为SYN_RCVD，此时这个连接就被推入了SYN队列，也就是半连接队列。
  • 全连接队列
    当客户端返回ACK, 服务端接收后，三次握手完成。这个时候连接等待被具体的应用取走，在被取走之前，它会被推入另外一个 TCP 维护的队列，也就是全连接队列(Accept Queue)。
  • SYN Flood 攻击原理
    SYN Flood 属于典型的 DoS/DDoS 攻击。其攻击的原理很简单，就是用客户端在短时间内伪造大量不存在的 IP 地址，并向服务端疯狂发送SYN。对于服务端而言，会产生两个危险的后果:
    1. 处理大量的SYN包并返回对应ACK, 势必有大量连接处于SYN_RCVD状态，从而占满整个半连接队列，无法处理正常的请求。
    2. 由于是不存在的 IP，服务端长时间收不到客户端的ACK，会导致服务端不断重发数据，直到耗尽服务端的资源。
  • 如何应对 SYN Flood 攻击？
    1. 增加 SYN 连接，也就是增加半连接队列的容量。
    2. 减少 SYN + ACK 重试次数，避免大量的超时重发。
    3. 利用 SYN Cookie 技术，在服务端接收到SYN后不立即分配连接资源，而是根据这个SYN计算出一个Cookie，连同第二次握手回复给客户端，在客户端回复ACK的时候带上这个Cookie值，服务端验证 Cookie 合法之后才分配连接资源。

TCP 快速打开TFO

  • 每次都三次握手好麻烦，这个优化后的 TCP 握手流程，也就是 TCP 快速打开(TCP Fast Open, 即TFO)，优化的过程是这样的，还记得我们说 SYN Flood 攻击时提到的 SYN Cookie 吗？这个 Cookie 可不是浏览器的Cookie, 用它同样可以实现 TFO。
  • 首轮三次握手
    客户端发送SYN，服务端不是立即返回SYN,ACK，而是计算一个SYN Cookie，将这个Cookie放到 TCP 报文的 Fast Open选项中，然后才给客户端返回。
    客户端拿到这个 Cookie 的值缓存下来。后面正常完成三次握手。
    首轮三次握手就是这样的流程。而后面的三次握手就不一样啦！
  • 后面的三次握手
    在后面的三次握手中，客户端会将之前缓存的 Cookie、SYN 和HTTP请求(是的，你没看错)发送给服务端，服务端验证了 Cookie 的合法性，如果不合法直接丢弃；如果是合法的，那么就正常返回SYN + ACK。
    重点来了，现在服务端能向客户端发 HTTP 响应了！这是最显著的改变，三次握手还没建立，仅仅验证了 Cookie 的合法性，就可以返回 HTTP 响应了。
    当然，客户端的ACK还得正常传过来，不然怎么叫三次握手嘛。
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    注意: 客户端最后握手的 ACK 不一定要等到服务端的 HTTP 响应到达才发送，两个过程没有任何关系。
  • TFO 的优势
    TFO 的优势并不在与首轮三次握手，而在于后面的握手，在拿到客户端的 Cookie 并验证通过以后，可以直接返回 HTTP 响应，充分利用了1 个RTT(Round-Trip Time，往返时延)的时间提前进行数据传输，积累起来还是一个比较大的优势。

关于TCP报文还有很多内容，可以参考以下文章链接：

参考资料：(建议收藏)TCP协议灵魂之问，巩固你的网路底层基础
面试官：换人！换人！TCP 这几个参数都不懂，也来面试？

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