TCP協議

TCP協議作用

• TCP協議位于協議棧的傳輸層。當應用層向TCP層發送用于網間傳輸的，用8字節表示的數據流，TCP則吧數據流分割成適當長度的報文段，最大傳輸段大小（MSS）通常受到改計算機連接的網絡數據鏈路層的最大傳送單元（MTU）限制（例如路由器每次傳輸數據的大小是固定的，并且是可以設置的，這個傳輸值就是MTU）。之后TCP吧數據包床底給IP層，由他來通過網絡將包傳送給接收端實體的TCP層。

• TCP為了保證報文傳輸的可靠性，就給每個包一個序號，同時序號也保證傳送到接收端實體的包的按順序接收，然后，接收端實體對已成功收到的字節發回一個相應的確認（ACK）；如果發送端實體在合理的往返時延（RTT）內未收到確認，那么對應的數據（假設丟失）將會重傳。

  • 在數據正確性與合法性上，TCP用一個 “校驗和函數” 來檢驗數據是否有錯誤，在發送和接收時都要計算校驗和；同時可以使用md5認證對數據進行加密
  • 在保證可靠性上，采用超時重傳和捎帶確認的機制
  • 在流量控制上，采用滑動窗口協議，協議中規定，對窗口內未經確認的分組需要重傳

• 在阻塞控制上，采用TCP擁塞控制算法，也稱為AIMD算法。改算法主要包括三個主要部分：

  • 加性增，乘性減
  • 慢啟動
  • 對超時事件做出反應

TCP的報頭

• 和協議一樣，TCP協議也有他的報頭部分。一下圖表示
  
• 源端口：發送方的端口號
• 目的端口：接受方的端口號
• 序號：發送方的序號
• 確認序號：接收方得到序號后回復的確認序號（ACK需要）
• TCP首部長度：4bit，以32-bit字為單位。TCP首部長度，也是TCP報文數據部分的偏移量范圍5~15，即20bytes ~50bytes，可選項部分最多允許40bytes
• 標志位，主要用于標記該報文當前狀態
  • URG：指示報文中有緊急數據，應該盡快傳送，（相當于高優先級的數據）
  • ACK：確認序號（AN）有效
  • PSH：接到后盡快交付給接收的應用進程
  • RST：TCP鏈接中出現嚴重差錯（例如服務器宕機），必須釋放鏈接，在重新建立連接
  • SYN：處于TCP鏈接建立過程
  • FIN：發送端已經完成數據傳輸，請求釋放鏈接

TCP協議連接三次握手

• TCP是一個面向連接的協議，在每一層傳輸數據前，客戶端和服務端需要進行連接，這個鏈接就是三次握手過程。

  • 第一次：客戶端向服務器發送一個SYN（SEQ = x 客戶端序號）報文給服務器端，進入SYN_SEND狀態
  • 第二次：服務器端收到SYN報文，回應一個SYN（SEQ = y 服務端序號）ACK（ACK = x+1 確認號 = 客戶端序號 + 1）報文，進入SYN_RECV狀態
  • 第三次：客戶端收到服務器端的SYN報文，回應一個ACK（ACK = y+1）報文，進入Established狀態。

• 如下圖
  

• 三次握手的意義，為啥不是兩次，因為兩次通信后，客戶端與服務器端都處于準備好狀態，第三次是不是多余了？

• 答案是：兩次握手時，服務器提前進入準備狀態之后，如果中途遇到網絡中斷，消息沒有回傳給客戶端，客戶端將永遠借不到服務器的給入狀態，那么服務端將資源浪費在一個不存在的連接上。

• 三次握手并不保證絕對安全： 在三次握手過程中，Server發送SYN-ACK后，收到Client的ACK之前的TCP鏈接稱為半連接（half-open connect），此時Server處于SYN_RCVD狀態，當收到ACK后，Server轉入ESABLISHED狀態。SYN攻擊就是在Client在短時間內偽造大量不存在IP地址，并向Server端不斷發送SYN包，Server回復確認包，并等待Client的確認，由于源地址是不存在的，因此，Server需要不斷重新發送直到超時，這些偽造的SYN包將長時間占用服務端未連接隊列，導致正常SYN請求因為隊列滿無法進入而被丟棄，從而引起完了阻塞甚至系統癱瘓。SYN攻擊時一種典型的DDOS攻擊，檢查SYN攻擊的方式非常簡單，即當Server上有大量半連接狀態，并且IP地址是隨機地址，則可以斷定遭到SYN攻擊，可以用如下命令查看：

#netstat -nap | grep SYN_RECV

TCP協議斷開連接時候四次揮手

• 既然TCP面向連接，那么肯定也有斷開連接的操作，一個TCP完整的斷開需要進行四次揮手。

  • 第一次：客戶端向服務器發送FIN + ACK 報文，同時攜帶序號為 X，客戶端進入FIN-WAIT1
  • 第二次：服務器端回復ACK報文。附帶序號Z和確認序號X+1，表示服務器已經接收到客戶端的報文。但是由于服務器可能還在處理事務，因此，報文并不會攜帶FIN標志。狀態CLOSE WAIT
  • 第三次：在一段時間后，服務器已經處理完畢，發送帶有FIN和ACK的報文，序號為Y，確認序號為X + 1.狀態：ACK-LAST
  • 第四次：客戶端發送ACK報文，序號X+1，確認序號Y+1。客戶端進入：TIME_WAIT。服務端進入CLOSE（初始狀態）。
    

• 如上圖所示，我們關閉連接是四次揮手過程，但是建立連接是三次握手，斷開多了一個過程：

  • 這是因為在連接過程中，服務器在LISTEN狀態下，收到建立連接請求的SYN報文后，把ACK和SYN放再一個報文給客戶端了。
  • 而關閉連接時候，當收到對方的FIN報文時候，僅僅標識對方不在發送數據了，但并不表示不在接受數據，并且服務端此時并不能保證已經將全部數據發送給對方，所以服務器方可以立即iclose，也可以發送一些數據給對方后在發送FIN報文給對方來表示現在關閉連接，因此，服務端ACK和FIN一般會分開發送，在這里就多了一個步驟

• 在TIME_WAIT狀態需要經過2MSL（最大報文段生存時間）才能返回到CLOSE狀態，有如下兩個原因：

  • 第一保證TCP協議的全雙工連接能夠可靠關閉
  • 保證這次連接的重復數據段從網絡中消息

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總結

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