[TCP/IP]TCP的三次握手和四次挥手

概述

总结一下TCP中3次握手过程，以及其原生的缺陷 引起的SYN Flood的介绍

1、TCP连接建立——三次握手

几个概念：

• seq：序号，占4个字节，范围[0,4284967296],由于TCP是面向字节流的，在
  
  一个1个TCP连接中传送字节流中国的每一个字节都按照顺序编号，此外序号是循环使用的

• ACK： 仅当ACK=1时确认字段才有效，当ACK=0时确认字段无效，并且TCP规定，在连接建立后所有的传送报文段都必须要把ACK置为1

• SYN：同步序列号，用来发起一个连接。当SYN=1而ACK=0时表明这是一个请求报文段；若对方同意连接，则响应报文中SYN=1，ACK=1

• FIN ：用来释放一个连接，当FIN=1表示此报文段的发送方已经发送完毕。并要求释放链接

1.1、3次握手过程

服务端的TCP进程先创建传输控制块TCB，准备接受客户端进程的连接请求，然后服务端进程处于LISTEN状态，等待客户端的连接请求，如有，则作出响应。

• 1、客户端的TCP进程也首先创建传输控制模块TCB，然后向服务端发出连接请求报文段，该报文段首部中的SYN=1，ACK=0，同时选择一个初始序号 seq=i。TCP规定，SYN=1的报文段不能携带数据，但要消耗掉一个序号。这时，TCP客户进程进入SYN—SENT（同步已发送）状态，这是 TCP连接的第一次握手。

• 2、服务端收到客户端发来的请求报文后，如果同意建立连接，则向客户端发送确认。确认报文中的SYN=1，ACK=1，确认号ack=i+1，同时为自己 选择一个初始序号seq=j。同样该报文段也是SYN=1的报文段，不能携带数据，但同样要消耗掉一个序号。这时，TCP服务端进入SYN—RCVD（同 步收到）状态，这是TCP连接的第二次握手。

• 3、TCP客户端进程收到服务端进程的确认后，还要向服务端给出确认。确认报文段的ACK=1，确认号ack=j+1，而自己的序号为seq=i+1。 TCP的标准规定，ACK报文段可以携带数据，但如果不携带数据则不消耗序号，因此，如果不携带数据，则下一个报文段的序号仍为seq=i+1。这 时，TCP连接已经建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。这是TCP连接的第三次握手，可以看出第三次握手客户端已经可以发送携带 数据的报文段了。

当服务端收到确认后，也进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。

1.2、关于第三次握手的解释

前俩比较容易理解，第三次握手看似多余其实不然，这主要是为了防止已失效的请求报文段突然又传送到了服务端而产生连接的误判

比如：客户端发送了一个连接请求报文段A到服务端，但是在某些网络节点上长时间滞留了，而后客户端又超时重发了一个连接请求报文段B该服务端，而后 正常建立连接，数据传输完毕，并释放了连接。但是请求报文段A延迟了一段时间后，又到了服务端，这本是一个早已失效的报文段，但是服务端收到后会误以为客户端又发出了一次连接请求，于是向客户端发出确认报文段，并同意建立连接。那么问题来了，假如这里没有三次握手，这时服务端只要发送了确认，新的 连接就建立了，但由于客户端没有发出建立连接的请求，因此不会理会服务端的确认，也不会向服务端发送数据，而服务端却认为新的连接已经建立了，并在 一直等待客户端发送数据，这样服务端就会一直等待下去，直到超出保活计数器的设定值，而将客户端判定为出了问题，才会关闭这个连接。这样就浪费了很多服务 器的资源。而如果采用三次握手，客户端就不会向服务端发出确认，服务端由于收不到确认，就知道客户端没有要求建立连接，从而不建立该连接。

1.2、关于断开四次握手的解释

断开：假设Client端发起终端连接请求，也就是发送FIN报文。Server端接收到FIN报文后，意思是说“我Client端没有数据要发给你了”，但是如果你还有数据没有发送完成，则不必急着关闭socket，可以继续发送数据。所以你先发送ACK，“告诉Client端，你的请求我收到了，但是我还没有准备好，请继续等我的消息”。这时候Client就进入FIN_WAIT状态，继续等待Ser短的FIN报文。当Serve端收到FIN报文后，“就知道可以关闭连接了，但是他还是不相信网络，怕Server端不知道要关闭，所以发送ACK后进入TIME_WAIT状态，如果Server端没有收到ACK则可以重传。”，Server端收到ACK后，“就知道可以断开连接了”。Client端等待了2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已经正常关闭，于是Client端也关闭了。整个过程结束。

2、 缺陷引起的SYN Flood

2.1、SYN Flood 攻击

SYN- Flood攻击是当前网络上最为常见的DDoS攻击，也是最为经典的拒绝服务攻击，它就是利用了TCP协议实现上的一个缺陷，通过向网络服务所在端口发送大量 的伪造源地址的攻击报文，就可能造成目标服务器中的半开连接队列被占满，从而阻止其他合法用户进行访问。这种攻击早在1996年就被发现，但至今仍然显示 出强大的生命力。很多操作系统，甚至防火墙、路由器都无法有效地防御这种攻击，而且由于它可以方便地伪造源地址，追查起来非常困难。它的数据包特征通常 是，源发送了大量的SYN包，并且缺少三次握手的最后一步握手ACK回复。

原理：攻击者首先伪造地址对 服务器发起SYN请求，服务器回应(SYN+ACK)包，而真实的IP会认为，我没有发送请求，不作回应。服务 器没有收到回应，这样的话，服务器不知 道(SYN+ACK)是否发送成功，默认情况下会重试5次（tcp_syn_retries）。这样的话，对于服务器的内存，带宽都有很大的消耗。攻击者 如果处于公网，可以伪造IP的话，对于服务器就很难根据IP来判断攻击者，给防护带来很大的困难。

2.2、SYN Flood 防护措施

主要通过以下3种方式

1． 无效连接监视释放

这种方法不停的监视系统中半开连接和不活动连接，当达到一定阈值时拆除这些连接，释放系统资源。这种绝对公平的方法往往也会将正常的连接的请求也会被释放掉，”伤敌一千，自损八百“

2． 延缓TCB分配方法

SYN Flood关键是利用了，SYN数据报文一到，系统立即分配TCB资源，从而占用了系统资源，因此有俩种技术来解决这一问题

• Syn Cache技术

这种技术在收到SYN时不急着去分配TCB，而是先回应一个ACK报文，并在一个专用的HASH表中（Cache）中保存这种半开连接，直到收到正确的ACK报文再去分配TCB

• Syn Cookie技术

Syn Cookie技术则完全不使用任何存储资源，它使用一种特殊的算法生成Sequence Number，这种算法考虑到了对方的IP、端口、己方IP、端口的固定信息，以及对方无法知道而己方比较固定的一些信息，如MSS、时间等，在收到对方 的ACK报文后，重新计算一遍，看其是否与对方回应报文中的（Sequence Number-1）相同，从而决定是否分配TCB资源

• 3． 使用SYN Proxy防火墙
  
  原理：对试图穿越的SYN请求进行验证之后才放行、

补充

• 为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手？

因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK。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Server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Clent端，“你发的FIN报文我收到了”。只有等到我Server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，所以需要四次握手。

• 为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL（最大报文段生存时间）才能返回到CLOSE状态？

这是因为虽然双方都同意关闭连接了，而且我收的四个报文也都协调和发送完毕，按理可以直接回到CLOSED状态（就好比从SYN_SEND状态到ESTABLISH状态那样）；但是因为我们必须要假想网络是不可靠的，你无法保证你最后发送的ACK报文会一定被对方接收到，因此对方处于LAST_ACK状态下的SOCKET可能会因为超时未收到ACK报文，而重发FIN报文，所以这个TIME_WAIT状态的作用就是用来重发可能丢失的ACK报文。