TCP协议详细介绍
# TCP协议详细介绍
# 一、简介
TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）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 (opens new window) 定义。TCP 在网络 OSI 七层模型中的第四层
# 二、主要特点
# 特点
（1）基于流的方式； （2）面向连接； （3）可靠通信方式；
# 规定
①数据分片：在发送端对用户数据进行分片，在接收端进行重组，由TCP确定分片的大小并控制分片和重组；
②到达确认：接收端接收到分片数据时，根据分片数据序号向发送端发送一个确认；
③超时重发：发送方在发送分片时启动超时定时器，如果在定时器超时之后没有收到相应的确认，重发分片；
④滑动窗口：TCP连接每一方的接收缓冲空间大小都固定，接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据，TCP在滑动窗口的基础上提供流量控制，防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出；
⑤失序处理：作为IP数据报来传输的TCP分片到达时可能会失序，TCP将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层；
⑥重复处理：作为IP数据报来传输的TCP分片会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据；
⑦数据校验：TCP将保持它首部和数据的检验和，这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到分片的检验和有差错，TCP将丢弃这个分片，并不确认收到此报文段导致对端超时并重发
# 三、首部格式
# 1、TCP首部
# 2、首部部分信息含义
Source Port是源端口，16位
Destination Port是目的端口，16位
Sequence Number是发送数据包中的第一个字节的序列号，32位，它是用来解决包在网络中乱序的问题
Acknowledgment Number是确认序列号，32位，是用于向发送方确认已经收到了哪些包，用来解决不丢包的问题
标志位： 6位
- URG表示Urgent Pointer字段有意义
- ACK表示Acknowledgment Number字段有意义
- PSH表示Push功能
- RST表示复位TCP连接
- SYN表示SYN报文（在建立TCP连接的时候使用）
- FIN表示没有数据需要发送了（在关闭TCP连接的时候使用）
Checksum是校验和，16位。
# 四、建立连接
# 三次握手
# 简单描述
当主动方发出SYN连接请求后，等待对方回答SYN+ACK，并最终对对方的 SYN 执行 ACK 确认。这种建立连接的方法可以防止产生错误的连接，TCP使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议
# 流程图
# TCP三次握手的过程如下
1.客户端发送SYN（SEQ=x）报文给服务器端，进入SYN_SEND状态。 2.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。 3.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。
# 四次挥手
# 简单描述
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
# 流程图
# 详细过程
1.第一次挥手。客户端发起 FIN 包（FIN = 1）,客户端进入 FIN_WAIT_1 状态。TCP 规定，即使 FIN 包不携带数据，也要消耗一个序号。
2.第二次挥手。服务器端收到 FIN 包，发出确认包 ACK（ack = u + 1），并带上自己的序号 seq=v，服务器端进入了 CLOSE_WAIT 状态。这个时候客户端已经没有数据要发送了，不过服务器端有数据发送的话，客户端依然需要接收。客户端接收到服务器端发送的 ACK 后，进入了 FIN_WAIT_2 状态。
3.第三次挥手。服务器端数据发送完毕后，向客户端发送 FIN 包（seq=w ack=u+1），半连接状态下服务器可能又发送了一些数据，假设发送 seq 为 w。服务器此时进入了 LAST_ACK 状态。
4.第四次挥手。客户端收到服务器的 FIN 包后，发出确认包（ACK=1，ack=w+1），此时客户端就进入了 TIME_WAIT 状态。注意此时 TCP 连接还没有释放，必须经过 2*MSL 后，才进入 CLOSED 状态。而服务器端收到客户端的确认包 ACK 后就进入了 CLOSED 状态，可以看出服务器端结束 TCP 连接的时间要比客户端早一些
# 五、TCP的状态机
+---------+ ---------\ active OPEN
| CLOSED | \ -----------
+---------+<---------\ \ create TCB
| ^ \ \ snd SYN
passive OPEN | | CLOSE \ \
------------ | | ---------- \ \
create TCB | | delete TCB \ \
V | \ \
+---------+ CLOSE | \
| LISTEN | ---------- | |
+---------+ delete TCB | |
rcv SYN | | SEND | |
----------- | | ------- | V
+---------+ snd SYN,ACK / \ snd SYN +---------+
| |<----------------- ------------------>| |
| SYN | rcv SYN | SYN |
| RCVD |<-----------------------------------------------| SENT |
| | snd ACK | |
| |------------------ -------------------| |
+---------+ rcv ACK of SYN \ / rcv SYN,ACK +---------+
| -------------- | | -----------
| x | | snd ACK
| VV
| CLOSE +---------+
| ------- | ESTAB |
| snd FIN +---------+
| CLOSE | | rcv FIN
V ------- | | -------
+---------+ snd FIN / \ snd ACK +---------+
| FIN |<----------------- ------------------>| CLOSE |
| WAIT-1 |------------------ | WAIT |
+---------+ rcv FIN \ +---------+
| rcv ACK of FIN ------- | CLOSE |
| -------------- snd ACK | ------- |
V x V snd FIN V
+---------+ +---------+ +---------+
|FINWAIT-2| | CLOSING | | LAST-ACK|
+---------+ +---------+ +---------+
| rcv ACK of FIN | rcv ACK of FIN |
| rcv FIN -------------- | Timeout=2MSL -------------- |
| ------- x V ------------ x V
\ snd ACK +---------+delete TCB +---------+
------------------------>|TIME WAIT|------------------>| CLOSED |
+---------+ +---------+
TCP Connection State Diagram
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# 六、常见面试问题
# 1.1 为什么需要三次握手，两次不行吗？
一）确认双方的收发能力
TCP 建立连接之前，需要确认客户端与服务器双方的收包和发包的能力
二）序列号可靠同步
如果是两次握手，服务端无法确定客户端是否已经接收到了自己发送的初始序列号，如果第二次握手报文丢失，那么客户端就无法知道服务端的初始序列号，那 TCP 的可靠性就无从谈起
三）阻止重复历史连接的初始化
客户端由于某种原因发送了两个不同序号的 SYN 包，我们知道网络环境是复杂的，旧的数据包有可能先到达服务器。如果是两次握手，服务器收到旧的 SYN 就会立刻建立连接，那么会造成网络异常。
如果是三次握手，服务器需要回复 SYN+ACK 包，客户端会对比应答的序号，如果发现是旧的报文，就会给服务器发 RST 报文，直到正常的 SYN 到达服务器后才正常建立连接。
所以三次握手才有足够的上下文信息来判断当前连接是否是历史连接。
四）安全问题
我们知道 TCP 新建连接时，内核会为连接分配一系列的内存资源，如果采用两次握手，就建立连接，那会放大 DDOS 攻击的。
# 1.2 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连接。服务器会把这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
# 1.3 ISN(Initial Sequence Number)是固定的吗？
ISN 全称是 Initial Sequence Number，是 TCP 发送方的字节数据编号的原点，告诉对方我要开始发送数据的初始化序列号
ISN 如果是固定的，攻击者很容易猜出后续的确认序号，为了安全起见，避免被第三方猜到从而发送伪造的 RST 报文，因此 ISN 是动态生成的
# 1.4 三次握手过程中可以携带数据吗？
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。
我们可以思考一个问题，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，疯狂着重复发 SYN 报文，这会让服务器花费大量的内存空间来缓存这些报文，这样服务器就更容易被攻击了。
对于第三次握手，此时客户端已经处于连接状态，他已经知道服务器的接收、发送能力是正常的了，所以可以携带数据是情理之中。
# 1.5 SYN攻击是什么？
服务器端的资源分配是在二次握手时分配的，而客户端的资源是在完成三次握手时分配的，所以服务器容易受到SYN洪泛攻击。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则回复确认包，并等待Client确认，由于源地址不存在，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，从而引起网络拥塞甚至系统瘫痪。SYN 攻击是一种典型的 DoS/DDoS 攻击。
检测 SYN 攻击非常的方便，当你在服务器上看到大量的半连接状态时，特别是源IP地址是随机的，基本上可以断定这是一次SYN攻击。在 Linux/Unix 上可以使用系统自带的 netstats 命令来检测 SYN 攻击。
netstat -n -p TCP | grep SYN_RECV 常见的防御 SYN 攻击的方法有如下几种：
缩短超时（SYN Timeout）时间
增加最大半连接数
过滤网关防护
SYN cookies技术
# 1.6 挥手为什么需要四次？
这由TCP的半关闭（half-close）造成的。所谓的半关闭，其实就是TCP提供了连接的一端在结束它的发送后还能接收来自另一端数据的能力。因为当服务端收到客户端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当服务端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉客户端，“你发的FIN报文我收到了”。只有等到我服务端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四次挥手
# 1.7 2MSL等待状态
2MSL 指的是报文在网络中最大生存时间。在客户端发送对服务器端的 FIN 的确认包 ACK 后，这个 ACK 包是有可能不可达的，服务器端如果收不到 ACK 的话需要重新发送 FIN 包。
所以客户端发送 ACK 后需要留出 2MSL 时间（ACK 到达服务器 + 服务器发送 FIN 重传包，一来一回）等待确认服务器端确实收到了 ACK 包。
也就是说客户端如果等待 2MSL 时间也没有收到服务器端的重传包 FIN，说明可以确认服务器已经收到客户端发送的 ACK
# 思维导图
