TCP之二：TCP的三次握手与四次分手

一、TCP是什么？

具体的关于TCP是什么，我不打算详细的说了；当你看到这篇文章时，我想你也知道TCP的概念了，想要更深入的了解TCP的工作，我们就继续。它只是一个超级麻烦的协议，而它又是互联网的基础，也是每个程序员必备的基本功。首先来看看OSI的七层模型：

我们需要知道TCP工作在网络OSI的七层模型中的第四层——Transport层，IP在第三层——Network层，ARP在第二层——Data Link层；在第二层上的数据，我们把它叫Frame，在第三层上的数据叫Packet，第四层的数据叫Segment。同时，我们需要简单的知道，数据从应用层发下来，会在每一层都会加上头部信息，进行封装，然后再发送到数据接收端。这个基本的流程你需要知道，就是每个数据都会经过数据的封装和解封装的过程。在OSI七层模型中，每一层的作用和对应的协议如下：

TCP是一个协议，那这个协议是如何定义的，它的数据格式是什么样子的呢？要进行更深层次的剖析，就需要了解，甚至是熟记TCP协议中每个字段的含义。哦，来吧。

上面就是TCP协议头部的格式，由于它太重要了，是理解其它内容的基础，下面就将每个字段的信息都详细的说明一下。

Source Port和Destination Port:分别占用16位，表示源端口号和目的端口号；用于区别主机中的不同进程，而IP地址是用来区分不同的主机的，源端口号和目的端口号配合上IP首部中的源IP地址和目的IP地址就能唯一的确定一个TCP连接；
Sequence Number:序列号，用来标识从TCP发端向TCP收端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的的第一个数据字节在数据流中的序号；主要用来解决网络报乱序的问题；
Acknowledgment Number:确认号，32位确认序列号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号，因此，确认序号应当是上次已成功收到数据字节序号加1。不过，只有当标志位中的ACK标志（下面介绍）为1时该确认序列号的字段才有效。主要用来解决不丢包的问题；
Offset:给出首部中32 bit字的数目，需要这个值是因为任选字段的长度是可变的。这个字段占4bit（最多能表示15个32bit的的字，即4*15=60个字节的首部长度），因此TCP最多有60字节的首部。然而，没有任选字段，正常的长度是20字节；
TCP Flags:TCP首部中有6个标志比特，它们中的多个可同时被设置为1，主要是用于操控TCP的状态机的，依次为URG，ACK，PSH，RST，SYN，FIN。每个标志位的意思如下：

*SYN：同步标志
同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers)栏有效。该标志仅在三次握手建立TCP连接时有效。它提示TCP连接的服务端检查序列编号，该序列编号为TCP连接初始端(一般是客户端)的初始序列编号。在这里，可以把 TCP序列编号看作是一个范围从0到4，294，967，295的32位计数器。通过TCP连接交换的数据中每一个字节都经过序列编号。在TCP报头中的序列编号栏包括了TCP分段中第一个字节的序列编号。
*ACK：确认标志
确认编号(Acknowledgement Number)栏有效。大多数情况下该标志位是置位的。TCP报头内的确认编号栏内包含的确认编号(w+1，Figure-1)为下一个预期的序列编号，同时提示远端系统已经成功接收所有数据。
*RST：复位标志
复位标志有效。用于复位相应的TCP连接。
*URG：紧急标志
紧急(The urgent pointer) 标志有效。紧急标志置位
*PSH：推标志
该标志置位时，接收端不将该数据进行队列处理，而是尽可能快将数据转由应用处理。在处理 telnet 或 rlogin 等交互模式的连接时，该标志总是置位的。
*FIN：结束标志
带有该标志置位的数据包用来结束一个TCP回话，但对应端口仍处于开放状态，准备接收后续数据。

上面的TCP的几个状态对于我们分析所起的作用。在TCP层，有个FLAGS字段，这个字段有以下几个标识：SYN, FIN, ACK, PSH, RST, URG.其中，对于我们日常的分析有用的就是前面的五个字段。它们的含义是：SYN表示建立连接，FIN表示关闭连接，ACK表示响应，PSH表示有 DATA数据传输，RST表示连接重置。其中，ACK是可能与SYN，FIN等同时使用的，比如SYN和ACK可能同时为1，它表示的就是建立连接之后的响应，如果只是单个的一个SYN，它表示的只是建立连接。TCP的几次握手就是通过这样的ACK表现出来的。但SYN与FIN是不会同时为1的，因为前者表示的是建立连接，而后者表示的是断开连接。RST一般是在FIN之后才会出现为1的情况，表示的是连接重置。一般地，当出现FIN包或RST包时，我们便认为客户端与服务器端断开了连接；而当出现SYN和SYN＋ACK包时，我们认为客户端与服务器建立了一个连接。PSH为1的情况，一般只出现在 DATA内容不为0的包中，也就是说PSH为1表示的是有真正的TCP数据包内容被传递。TCP的连接建立和连接关闭，都是通过请求－响应的模式完成的。

Window:窗口大小，也就是有名的滑动窗口，用来进行流量控制；这是一个复杂的问题，这篇博文中并不会进行总结的；

需要注意的是：
（A）不要将确认序号Ack与标志位中的ACK搞混了。
（B）确认方Ack=发起方Req+1，两端配对。

二、图解TCP的建立连接断开连接过程

TCP是面向连接的，无论哪一方向另一方发送数据之前，都必须先在双方之间建立一条连接。在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接服务，连接是通过三次握手进行初始化的。三次握手的目的是同步连接双方的序列号和确认号并交换 TCP窗口大小信息。这就是面试中经常会被问到的TCP三次握手。只是了解TCP三次握手的概念，对你获得一份工作是没有任何帮助的，你需要去了解TCP三次握手中的一些细节。先来看图说话。

TCP握手时的状态机：

第一次握手的标志位

我们可以看到标志位里面只有个同步位，也就是在做请求(SYN)

第二次握手的标志位

我们可以看到标志位里面有个确认位和同步位，也就是在做应答(SYN + ACK)

第三次握手的标志位

我们可以看到标志位里面只有个确认位，也就是再做再次确认(ACK)

一个完整的三次握手也就是 请求---应答---再次确认。

TCP报文内容：

　　每次握手（发送数据请求或应答）时，发送的数据为TCP报文，TCP段包含了源/目的地址，端口号，初始序号，滑动窗口大小，窗口扩大因子，最大报文段长度等。还有一些标志位（（1）SYN：同步序号，（2）ACK：应答回复（3）RST：复位连接，消除旧有的同步序号（4）PSH：尽可能的将数据送往接收进程（5）FIN：发送方完成数据发送（6）URG：紧急标志）。

TCP三次握手：

从图中，可以看出三次握手的基本步骤是：

第一次握手：建立连接。客户端发送连接请求报文段，将SYN位置为1，Sequence Number为x；然后，客户端进入SYN_SEND状态，等待服务器的确认；
第二次握手：服务器收到SYN报文段。服务器收到客户端的SYN报文段，需要对这个SYN报文段进行确认，设置Acknowledgment Number为x+1(Sequence Number+1)；同时，自己自己还要发送SYN请求信息，将SYN位置为1，Sequence Number为y；服务器端将上述所有信息放到一个报文段（即SYN+ACK报文段）中，一并发送给客户端，此时服务器进入SYN_RECV状态；
第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK报文段。然后将Acknowledgment Number设置为y+1，向服务器发送ACK报文段，这个报文段发送完毕以后，客户端和服务器端都进入ESTABLISHED状态，完成TCP三次握手。

完成了三次握手，客户端和服务器端就可以开始传送数据。以上就是TCP三次握手的总体介绍。

四次分手：

当客户端和服务器通过三次握手建立了TCP连接以后，当数据传送完毕，肯定是要断开TCP连接的啊。那对于TCP的断开连接，这里就有了神秘的“四次分手”。

第一次分手：主机1（可以使客户端，也可以是服务器端），设置Sequence Number和Acknowledgment Number，向主机2发送一个FIN报文段；此时，主机1进入FIN_WAIT_1状态；这表示主机1没有数据要发送给主机2了；
第二次分手：主机2收到了主机1发送的FIN报文段，向主机1回一个ACK报文段，Acknowledgment Number为Sequence Number加1；主机1进入FIN_WAIT_2状态；主机2告诉主机1，我“同意”你的关闭请求；
第三次分手：主机2向主机1发送FIN报文段，请求关闭连接，同时主机2进入CLOSE_WAIT状态；
第四次分手：主机1收到主机2发送的FIN报文段，向主机2发送ACK报文段，然后主机1进入TIME_WAIT状态；主机2收到主机1的ACK报文段以后，就关闭连接；此时，主机1等待2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那好，主机1也可以关闭连接了。

三、疑问

3.1、为什么要四次分手

由于TCP的半关闭特性，TCP连接时双全工（即数据在两个方向上能同时传递），因此，每个方向必须单独的进行关闭。这个原则就是：当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向上的连接。当一端收到一个FIN后，它必须通知应用层另一端已经终止了那个方向的数据传送。即收到一个FIN意味着在这一方向上没有数据流动了。
目的：保证服务器与客户端都能完全的接受对方发送的数据。

FIN_WAIT_1: 这个状态要好好解释一下，其实FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_2状态的真正含义都是表示等待对方的FIN报文。而这两种状态的区别是：FIN_WAIT_1状态实际上是当SOCKET在ESTABLISHED状态时，它想主动关闭连接，向对方发送了FIN报文，此时该SOCKET即进入到FIN_WAIT_1状态。而当对方回应ACK报文后，则进入到FIN_WAIT_2状态，当然在实际的正常情况下，无论对方何种情况下，都应该马上回应ACK报文，所以FIN_WAIT_1状态一般是比较难见到的，而FIN_WAIT_2状态还有时常常可以用netstat看到。（主动方）
FIN_WAIT_2：上面已经详细解释了这种状态，实际上FIN_WAIT_2状态下的SOCKET，表示半连接，也即有一方要求close连接，但另外还告诉对方，我暂时还有点数据需要传送给你(ACK信息)，稍后再关闭连接。（主动方）
CLOSE_WAIT：这种状态的含义其实是表示在等待关闭。怎么理解呢？当对方close一个SOCKET后发送FIN报文给自己，你系统毫无疑问地会回应一个ACK报文给对方，此时则进入到CLOSE_WAIT状态。接下来呢，实际上你真正需要考虑的事情是察看你是否还有数据发送给对方，如果没有的话，那么你也就可以 close这个SOCKET，发送FIN报文给对方，也即关闭连接。所以你在CLOSE_WAIT状态下，需要完成的事情是等待你去关闭连接。（被动方）
LAST_ACK: 这个状态还是比较容易好理解的，它是被动关闭一方在发送FIN报文后，最后等待对方的ACK报文。当收到ACK报文后，也即可以进入到CLOSED可用状态了。（被动方）
TIME_WAIT: 表示收到了对方的FIN报文，并发送出了ACK报文，就等2MSL后即可回到CLOSED可用状态了。如果FINWAIT1状态下，收到了对方同时带FIN标志和ACK标志的报文时，可以直接进入到TIME_WAIT状态，而无须经过FIN_WAIT_2状态。（主动方）
CLOSED: 表示连接中断。

3.2、为什么不能只两次握手？

有了三次握手的详细步骤，就可以分析为什么需要三次握手而不是两次握手了。
三次握手的目的：消除旧有连接请求的SYN消息对新连接的干扰，同步连接双方的序列号和确认号并交换TCP 窗口大小信息。
设想：如果只有两次握手，那么第二次握手后服务器只向客户端发送ACK包，此时客户端与服务器端建立连接。在这种握手规则下：
假设：如果发送网络阻塞，由于TCP/IP协议定时重传机制，B向A发送了两次SYN请求，分别是x1和x2，且因为阻塞原因，导致x1连接请求和x2连接请求的TCP窗口大小和数据报文长度不一致，如果最终x1达到A，x2丢失，此时A同B建立了x1的连接，这个时候，因为AB已经连接，B无法知道是请求x1还是请求x2同B连接，如果B默认是最近的请求x2同A建立了连接，此时B开始向A发送数据，数据报文长度为x2定义的长度，窗口大小为x2定义的大小，而A建立的连接是x1，其数据包长度大小为x1，TCP窗口大小为x1定义，这就会导致A处理数据时出错。

很显然，如果A接收到B的请求后，A向B发送SYN请求y3（y3的窗口大小和数据报长度等信息为x1所定义），确认了连接建立的窗口大小和数据报长度为x1所定义，A再次确认回答建立x1连接，然后开始相互传送数据，那么就不会导致数据处理出错了。

3.3、为什么建立连接协议是三次握手，而关闭连接却是四次握手呢？

这是因为服务端的 LISTEN 状态下的 SOCKET 当收到 SYN 报文的建连请求后，它可以把 ACK和 SYN（ACK 起应答作用，而 SYN 起同步作用）放在一个报文里来发送。但关闭连接时，当收到对方的 FIN 报文通知时，它仅仅表示对方没有数据发送给你了；但未必你所有的数据都全部发送给对方了，所以你可以未必会马上会关闭 SOCKET, 也即你可能还需要发送一些数据给对方之后，再发送 FIN 报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了，所以它这里的 ACK 报文和 FIN报文多数情况下都是分开发送的。

3.4、为什么 TIME_WAIT 状态还需要等 2MSL 后才能返回到 CLOSED 状态？

　　这是因为虽然双方都同意关闭连接了，而且握手的 4 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。

3.5、SYN攻击

在三次握手过程中，服务器发送SYN-ACK之后，收到客户端的ACK之前的TCP连接称为半连接(half-open connect).此时服务器处于Syn_RECV状态.当收到ACK后，服务器转入ESTABLISHED状态.Syn攻击就是攻击客户端在短时间内伪造大量不存在的IP地址，向服务器不断地发送syn包，服务器回复确认包，并等待客户的确认，由于源地址是不存在的，服务器需要不断的重发直至超时，这些伪造的SYN包将长时间占用未连接队列，正常的SYN请求被丢弃，目标系统运行缓慢，严重者引起网络堵塞甚至系统瘫痪。Syn攻击是一个典型的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下可以如下命令检测是否被Syn攻击netstat -n -p TCP | grep SYN_RECV一般较新的TCP/IP协议栈都对这一过程进行修正来防范Syn攻击，修改tcp协议实现。主要方法有SynAttackProtect保护机制、SYN cookies技术、增加最大半连接和缩短超时时间等.但是不能完全防范syn攻击。