TCP协议---三次握手和四次挥手详解 (不看后悔系列)

北城以北 提交于 2020-03-02 10:29:45

一、TCP协议简介

TCP,全称Transfer Control Protocol,中文名为传输控制协议,它工作在OSI的传输层,提供面向连接的可靠传输服务。是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议,由IETF的RFC 793 [1] 定义。

TCP的工作主要是建立连接,然后从应用层程序中接收数据并进行传输。TCP采用虚电路连接方式进行工作,在发送数据前它需要在发送方和接收方建立一个连接,数据在发送出去后,发送方会等待接收方给出一个确认性的应答,否则发送方将认为此数据丢失,并重新发送此数据。

工 作:与IP协议共同使用

下面我们来介绍一下TCP的报头结构和相关工作原理:

  1. TCP报头

TCP报头总长最小为20个字节,其报头结构如下图(图1)所示;
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源端口:指定了发送端的端口

目的端口:指定了接受端的端口号

序号:指明了段在即将传输的段序列中的位置

确认号:规定成功收到段的序列号,确认序号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号

TCP偏移量:指定了段头的长度。段头的长度取决与段头选项字段中设置的选项

保留:指定了一个保留字段,以备将来使用

标志:SYN、ACK、PSH、RST、URG、FIN

SYN: 表示同步

ACK: 表示确认

PSH: 表示尽快的将数据送往接收进程

RST: 表示复位连接

URG: 表示紧急指针

FIN: 表示发送方完成数据发送

窗口:指定关于发送端能传输的下一段的大小的指令

校验和:校验和包含TCP段头和数据部分,用来校验段头和数据部分的可靠性

紧急:指明段中包含紧急信息,只有当U R G标志置1时紧急指针才有效

选项:指定了公认的段大小,时间戳,选项字段的末端,以及指定了选项字段的边界选项

  1. TCP工作原理

1)TCP连接建立:TCP的连接建立过程又称为TCP三次握手。首先发送方主机向接收方主机发起一个建立连接的同步(SYN)请求;接收方主机在收到这个请求后向送方主机回复一个同步/确认(SYN/ACK)应答;发送方主机收到此包后再向接收方主机发送一个确认(ACK),此时TCP连接成功建立;这种建立连接的方法可以防止产生错误的连接。

TCP三次握手的过程如下:

a、客户端发送SYN(SEQ=x)报文给服务器端,进入SYN_SEND状态。
b、服务器端收到SYN报文,回应一个SYN (SEQ=y)ACK(ACK=x+1)报文,进入SYN_RECV状态。
c、客户端收到服务器端的SYN报文,回应一个ACK(ACK=y+1)报文,进入Established状态。
三次握手完成,TCP客户端和服务器端成功地建立连接,可以开始传输数据了。
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建立一个连接需要三次握手,而终止一个连接要经过四次握手,这是由TCP的半关闭(half-close)造成的。也就是下面的TCP连接关闭。

2)TCP连接关闭:发送方主机和目的主机建立TCP连接并完成数据传输后,会发送一个将结束标记置1的数据包,以关闭这个TCP连接,并同时释放该连接占用的缓冲区空间;

TCP四次挥手具体如下:
a、某个应用进程首先调用close,称该端执行“主动关闭”(active close)。该端的TCP于是发送一个FIN分节,表示数据发送完毕。
b、接收到这个FIN的对端执行 “被动关闭”(passive close),这个FIN由TCP确认。
注意:FIN的接收也作为一个文件结束符(end-of-file)传递给接收端应用进程,放在已排队等候该应用进程接收的任何其他数据之后,因为,FIN的接收意味着接收端应用进程在相应连接上再无额外数据可接收。
c、一段时间后,接收到这个文件结束符的应用进程将调用close关闭它的套接字。这导致它的TCP也发送一个FIN。
d、接收这个最终FIN的原发送端TCP(即执行主动关闭的那一端)确认这个FIN。
既然每个方向都需要一个FIN和一个ACK,因此通常需要4个分节。
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3)TCP重置:TCP允许在传输的过程中突然中断连接,这称为TCP重置;
4)TCP数据排序和确认:TCP是一种可靠传输的协议,它在传输的过程中使用序列号和确认号来跟踪数据的接收情况;
5)TCP重传:在TCP的传输过程中,如果在重传超时时间内没有收到接收方主机对某数据包的确认回复,发送方主机就认为此数据包丢失,并再次发送这个数据包给接收方,这称为TCP重传;
6)TCP延迟确认:TCP并不总是在接收到数据后立即对其进行确认,它允许主机在接收数据的同时发送自己的确认信息给对方。
7)TCP数据保护(校验和):TCP是可靠传输的协议,它提供校验和计算来实现数据在传输过程中的完整性。

二、科来解码详解

要看懂TCP解码信息,就必须清楚知道TCP工作原理和TCP报头的相关字段信息。

下面我们就通过科来网络分析系统中的解码信息来认识TCP协议的报头。如下图。
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图2 科来网络分析系统TCP解码信息

上图显示了TCP协议中报头中字段的详细信息,这里的解码信息完全和TCP报头结构相吻合,下面我们分别来介绍解码视图中的信息:

1.源端口:1041,偏移量为34,值为2个字节;
2.目标端口:5001,端口名为 complex-link,偏移量为36,值为2个字节;
3.序列号:TCP数据包序列号为148694863,偏移量38,值为4个字节;
4.确认号:确认号为387135032,偏移量为42,值为4个字节;
5.TCP偏移量:TCP偏移量为5,偏移量为46,值为4位;
6.标志:PSH和ACK的值为1,这是一个确认包,收到的有效段立即发给应用,不要放入缓冲区;
7.窗口:表示接收端能够接收的下一段的大小64124;
8.校验和:校验和为0x10D4(正确),表示数据没有被修改和损坏,是完整的;
9.紧急指针:因为标志字段中URG标志位的值为0,所以这里无紧急指针;
10.无TCP选项:无选项内容。

三、wireshark解码详解

1.三次握手和四次挥手

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2.数据包的大致结构
第一行:数据包整体概述,
第二行:链路层详细信息,主要的是双方的mac地址
第三行:网络层详细信息,主要的是双方的IP地址
第四行:传输层的详细信息,主要的是双方的端口号。
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具体的一些操作方法方式自己百度学习,小编就不在这里讲了。

四、你不知道的三次握手

1、为什么需要有三次握手?

这里很多人都会这么说:

1)第一次握手:客户端给服务器发送一个 SYN 报文。
2)第二次握手:服务器收到 SYN 报文之后,会应答一个 SYN+ACK 报文。
3)第三次握手:客户端收到 SYN+ACK 报文之后,会回应一个 ACK 报文。
4)服务器收到 ACK 报文之后,三次握手建立完成。
因为是为了确认双方的接收与发送能力是否正常。

那么问题又来了 接下来讲讲第二个问题

2、为啥只有三次握手才能确认双方的接受与发送能力是否正常,而两次却不可以?

1)第一次握手:客户端发送网络包,服务端收到了。这样服务端就能得出结论:客户端的发送能力、服务端的接收能力是正常的。
2)第二次握手:服务端发包,客户端收到了。这样客户端就能得出结论:服务端的接收、发送能力,客户端的接收、发送能力是正常的。不过此时服务器并不能确认客户端的接收能力是否正常。
3)第三次握手:客户端发包,服务端收到了。这样服务端就能得出结论:客户端的接收、发送能力正常,服务器自己的发送、接收能力也正常。
因此,需要三次握手才能确认双方的接收与发送能力是否正常。

以上的说法也很好,但是更加分的表达是这样的

刚开始客户端处于 closed 的状态,服务端处于 listen 状态。
然后
1)第一次握手:客户端给服务端发一个 SYN 报文,并指明客户端的初始化序列号 ISN©。此时客户端处于 SYN_Send 状态。
2)第二次握手:服务器收到客户端的 SYN 报文之后,会以自己的 SYN 报文作为应答,并且也是指定了自己的初始化序列号 ISN(s),同时会把客户端的 ISN + 1 作为 ACK 的值,表示自己已经收到了客户端的 SYN,此时服务器处于 SYN_REVD 的状态。
3)第三次握手:客户端收到 SYN 报文之后,会发送一个 ACK 报文,当然,也是一样把服务器的 ISN + 1 作为 ACK 的值,表示已经收到了服务端的 SYN 报文,此时客户端处于 establised 状态。
4)服务器收到 ACK 报文之后,也处于 establised 状态,此时,双方以建立起了链接。
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3、那么三次挥手的作用有哪些呢 ?

三次握手的作用也是有好多的,多记住几个,保证不亏。例如:

1)确认双方的接受能力、发送能力是否正常。
2)指定自己的初始化序列号,为后面的可靠传送做准备。

4、(ISN)是固定的吗?

三次握手的一个重要功能是客户端和服务端交换ISN(Initial Sequence Number), 以便让对方知道接下来接收数据的时候如何按序列号组装数据。
如果ISN是固定的,攻击者很容易猜出后续的确认号,因此 ISN 是动态生成的。

5、什么是半连接队列?

服务器第一次收到客户端的 SYN 之后,就会处于 SYN_RCVD 状态,此时双方还没有完全建立其连接,服务器会把此种状态下请求连接放在一个队列里,我们把这种队列称之为半连接队列。当然还有一个全连接队列,就是已经完成三次握手,建立起连接的就会放在全连接队列中。如果队列满了就有可能会出现丢包现象。

这里在补充一点关于SYN-ACK 重传次数的问题: 服务器发送完SYN-ACK包,如果未收到客户确认包,服务器进行首次重传,等待一段时间仍未收到客户确认包,进行第二次重传,如果重传次数超 过系统规定的最大重传次数,系统将该连接信息从半连接队列中删除。注意,每次重传等待的时间不一定相同,一般会是指数增长,例如间隔时间为 1s, 2s, 4s, 8s, …

6、三次握手过程中可以携带数据吗?

很多人可能会认为三次握手都不能携带数据,其实第三次握手的时候,是可以携带数据的。也就是说,第一次、第二次握手不可以携带数据,而第三次握手是可以携带数据的。

为什么这样呢?大家可以想一个问题,假如第一次握手可以携带数据的话,如果有人要恶意攻击服务器,那他每次都在第一次握手中的 SYN 报文中放入大量的数据,因为攻击者根本就不理服务器的接收、发送能力是否正常,然后疯狂着重复发 SYN 报文的话,这会让服务器花费很多时间、内存空间来接收这些报文。也就是说,第一次握手可以放数据的话,其中一个简单的原因就是会让服务器更加容易受到攻击了。

而对于第三次的话,此时客户端已经处于 established 状态,也就是说,对于客户端来说,他已经建立起连接了,并且也已经知道服务器的接收、发送能力是正常的了,所以能携带数据页没啥毛病。

五、你不知道的四次挥手

1、四次挥手过程:

刚开始双方都处于 establised 状态,假如是客户端先发起关闭请求,则:
1)第一次挥手:客户端发送一个 FIN 报文,报文中会指定一个序列号。此时客户端处于FIN_WAIT1状态。
2)第二次握手:服务端收到 FIN 之后,会发送 ACK 报文,且把客户端的序列号值 + 1 作为 ACK 报文的序列号值,表明已经收到客户端的报文了,此时服务端处于 CLOSE_WAIT状态。
3)第三次挥手:如果服务端也想断开连接了,和客户端的第一次挥手一样,发给 FIN 报文,且指定一个序列号。此时服务端处于 LAST_ACK 的状态。
4)第四次挥手:客户端收到 FIN 之后,一样发送一个 ACK 报文作为应答,且把服务端的序列号值 + 1 作为自己 ACK 报文的序列号值,此时客户端处于 TIME_WAIT 状态。需要过一阵子以确保服务端收到自己的 ACK 报文之后才会进入 CLOSED 状态
5)服务端收到 ACK 报文之后,就处于关闭连接了,处于 CLOSED 状态。
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这里特别需要注意的就是TIME_WAIT这个状态

2、为什么客户端发送 ACK 之后不直接关闭,而是要等一阵子才关闭?

原因就是,要确保服务器是否已经收到了我们的 ACK 报文,如果没有收到的话,服务器会重新发 FIN 报文给客户端,客户端再次收到 ACK 报文之后,就知道之前的 ACK 报文丢失了,然后再次发送 ACK 报文。

3、那TIME_WAIT 持续的时间是多久呢?

至于 TIME_WAIT 持续的时间至少是一个报文的来回时间。一般会设置一个计时,如果过了这个计时没有再次收到 FIN 报文,则代表对方成功接收到了ACK 报文,此时处于 CLOSED 状态。

4、各个状态的含义是什么?

LISTEN - 侦听来自远方TCP端口的连接请求;
SYN-SENT -在发送连接请求后等待匹配的连接请求;
SYN-RECEIVED - 在收到和发送一个连接请求后等待对连接请求的确认;
ESTABLISHED- 代表一个打开的连接,数据可以传送给用户;
FIN-WAIT-1 - 等待远程TCP的连接中断请求,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;

最后,在放在三次握手与四次挥手的图

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