TCP建立连接的相关问题

Posted 2021-02-20 xiaona-

1.TCP三次握手过程和状态变迁

　　TCP是面向连接的协议，使用TCP前必须先建立连接，建立连接是通过三次握手进行的。

　　

　　（1）在一开始的时候，客户端和服务端都是处于CLOSED状态，先是服务端主动监听某个端口，处于LISTEN状态。

　　（2）客户端会随机初始化序号（client_isn），将此序号置于TCP首部的序号字段中，同时把SYN标志位置为1，表示SYN报文。接着把第一个SYN报文发送给服务端，表示向服务端发起连接，该报文不包含应用层数据，之后客户端处于SYN_SENT状态。

　　客户端发送的SYN报文：

　　

 　　（3）服务端收到客户端SYN报文后，首先服务端也随机初始化自己的序号（server_isn），将此序号填入TCP首部的序号字段中，其次把TCP首部的确认应答号字段填入client_isn+1，接着把SYN和ACK标志位都置为1，最后把该报文发给客户端，该报文也不包含应用层数据，之后服务端处于SYN-RCVD状态。

　　服务端发给客户端SYN+ACK报文：

　　

 　　（4）客户端收到服务端报文之后，还要向服务端回应最后一个应答报文，首先该应答报文TCP首部ACK标志位置为1，其次确认应答号字段填server_isn+1，最后把该报文发送给服务端，这次报文可以携带客户端到服务器的数据，之后客户端处于ESTABLISHED状态。

　　客户端发给服务端的ACK报文：

　　

 　　（5）服务器收到客户端的应答报文之后，也进入ESTABLISHED状态。

　　前两次握手不可以携带数据，第三次握手是可以携带数据的。一旦完成三次握手，双方就处于ESTABLISHED状态，此时连接就已建立完成，客户端和服务器端就可以相互发送数据了。

2.为什么是三次握手？而不是两次或者四次？

　　（1）三次握手才可以阻止历史重复连接的初始化（主要原因）

　　三次握手的首要原因是为了防止旧的重复连接初始化造成混乱。

　　网络环境是复杂的，由于网络堵塞等原因，先发送的数据包并不一定是最先到达目标主机的，客户端连续发送多次SYN建立连接的报文，在网络堵塞的情况下：

• 一个旧的SYN报文比最新的SYN报文早到达服务端；
• 那么此时服务端就会回送一个SYN+ACK报文给客户端；
• 客户端收到后根据自身上下文，判断这是一个历史连接（序列号过期或超时），那么客户端就会发送一个RST报文给服务端，表示中止这一次连接。

　　如果是两次握手的话，就不能判断当前连接是否是历史连接，三次握手可以在客户端准备发送第三次报文时，有足够的上下文来判断当前连接是否是历史连接：

　　1> 如果是历史连接，则第三次握手发送的报文是RST报文，中止连接；

　　2> 如果不是历史连接，则第三次发送的报文是ACK报文，通信双方会成功建立连接。

　　所以，TCP使用三次握手建立连接的主要原因是防止历史连接初始化了连接。　　

　　（2）三次握手才可以同步双方的初始序列号

　　TCP协议的通信双方，都必须维护一个序列号，序列号是可靠传输的一个关键因素，它的作用是：

• 接收方可以去除重复的数据；
• 接收方根据数据包的序列号按序接收；
• 可以标识发送出去的数据包中，哪些是已经被双方收到的。

　　当客户端发送携带初始序列号的SYN报文时，需要服务端回一个ACK应答报文，表示客户端的SYN报文已被成功接收，那当服务端发哦是能够初始序列号给客户端的时候，依然也要得到客户端的应答回应，这样一来一回，才能保证双方的初始序列号能被可靠的同步。

　　四次握手也能够可靠的同步双方的初始化序号，但由于第二步和第三步可以优化成一步，所以就成了三次握手。 而两次握手只保证了一方的初始序列号能被对方成功接收，没有办法保证双方的初始序列号都能被确认接收。

　　

　　（3）三次握手才可以避免资源浪费

　　如果只有两次握手，当客户端的SYN请求连接在网络中阻塞，客户端没有接收到ACK报文就会重新发送SYN，由于没有第三次握手，服务器不清楚客户端是否收到了自己发送的建立连接的ACK确认信号，所以每收到一个SYN就只能先主动建立一个连接，这样服务器就会建立冗余的无效连接，造成不必要的资源浪费。

　　也就是说，两次握手在造成消息滞留的情况下，服务器重复接收无用的连接请求SYN报文，而造成重复分配资源。

　　总结：　　

　　不使用两次握手和四次握手的原因：

• 两次握手：无法防止历史连接的建立，会造成双方资源的浪费，也无法可靠的同步双方序列号；
• 四次握手：三次握手就已经理论上最少可靠连接建立，所以不需要使用更多的通信次数。

 3.为什么客户端和服务端的初始序列号的ISN是不相同的？

　　因为网络中的报文会延迟、复制重发、有可能丢失，这样会造成的不同连接之间产生相互影响，所以为了避免相互影响，客户端和服务端的初始序列号是随机且不同的。　　

 4.初始序列号ISN是如何随机产生的？

 　　最开始时ISN是基于时钟的，每4毫秒+1，转一圈要4.55个小时。

　　RFC1948中提出了较好的初始化序列号ISN随机生成算法。ISN=M+F(localhost, localport,remotehost, remoteport)。其中M是一个计时器，这个计时器每个4毫秒加1；F是一个Hash算法，根据源IP、目的IP、源端口、目标端口生成一个随机数值，要保证Hash算法不能被外部轻易推算得出，用MD5算法是一个比较好的选择。

 5.既然IP会分片，为什么TCP还需要MSS呢？

　　MTU：一个网络包的最大长度，以太网中一般是1500字节；

　　MSS：除去IP和TCP头部之后，一个网络包所能容纳的TCP数据的最大长度。

　　　

　　如果TCP的整个报文（头部+数据）交给IP进行分片的话：

　　当IP层有一个超过MTU大小的数据（TCP头部+TCP数据）要发送，那么IP层就要进行分片，把数据分片成若干片，保证每一个分片都小于MTU。把一份IP数据进行分片以后，由目标主机的IP层进行重新组装后，再交给上一层传输层。但是如果一个IP分片丢失整个IP报文的所有分片都要重传，因为IP层没有超时重传机制，它由传输层的TCP来负责超时和重传。当接收方发现TCP报文（头部+数据）的某一片丢失后，则不会响应ACK给对方，那么发送方的TCP在超时后，就会重发整个TCP报文（头部+数据）。所以，由IP层进行分片传输的话是非常没有效率的。

　　为了达到最佳的传输效能，TCP协议在建立连接的时候通常需要协商双方的MSS值，当TCP层发现数据超过MSS后，则就会先进行分片，当然由它形成的IP包的长度也就会大于MTU，自然也就不用IP分片。

　　握手协商MSS：

　　

 　　经过TCP分片后，如果一个TCP分片丢失后，进行重发时也是以MSS为单位，而不用重传所有的分片，大大增大了重传的效率。

6.什么是SYN攻击？如何避免SYN攻击？

　　

 　　假设攻击者短时间内伪造不同IP地址的SYN报文，服务端每接收到一个SYN报文，就进入SYN_RCVD状态，但服务端发送出去的ACK+SYN报文无法得到未知IP的ACK应答，久而久之就会占满服务端的SYN接收队列（未连接队列），使得服务器不能为正常用户服务。

　　避免攻击的方式：

　　（1）通过修改Linux内核参数，控制队列大小和当队列满时应做什么处理。当网卡接收到数据包的速度大于内核处理的速度时，会有一个队列保存这些数据包，超出处理能时，对新的SYN直接回RST，丢弃连接。

　　（2）对Linux内核的SYN队列（未完成连接建立）与Accept队列（已完成连接的建立）的工作流程：

　　

•  当服务端接收到客户端的SYN报文时，会将其加入到内核的SYN队列中；
• 发送SYN+ACK给客户端，等待客户端回应ACK报文；
• 服务端接收到ACK报文后，从SYN队列移除放入Accept队列；
• 应用通过调用accept()的socket接口，从Accept队列取出的连接。

　　

 　　如果应用程序过慢的话，就会导致Accept队列被占满。

　　

 　　如果不断受到SYN攻击，就会导致SYN队列被占满。

　　

•  当SYN队列满之后，后续服务器收到SYN包，不再进入SYN队列；
• 计算出一个cookie值，再以SYN+ACK中的序列号返回客户端；
• 服务端接收到客户端的应答报文时，服务器会检查这个ACK包的合法性，如果合法，直接放入到Accept队列；
• 最后应用调用accept（）中socket接口，从Accept队列取出的连接。

参考文献：https://mp.weixin.qq.com/s/ihDCVCI4jm24XDZ9bCTfqQ