計算機網絡知識梳理（4）——TCP/UDP、TCP三次握手與四次揮手

TCP/IP協議是Internet最基本的協議、Internet國際互聯網絡的基礎，由網絡層的IP協議和傳輸層的TCP協議組成。通俗而言：TCP負責發現傳輸的問題，一有問題就發出信號，要求重新傳輸，直到所有數據安全正確地傳輸到目的地。而IP是給因特網的每一台聯網設備規定一個地址。

 

注：seq:"sequance"序列號；ack:"acknowledge"確認號；SYN:"synchronize"請求同步標志；；ACK:"acknowledge"確認標志"；FIN："Finally"結束標志。

 

第一次握手:
客戶端發送一個TCP的SYN標志位置1的包指明客戶打算連接的服務器的端口，以及初始序號X,保存在包頭的序列號(Sequence Number)字段里。

第二次握手:
服務器發回確認包(ACK)應答。即SYN標志位和ACK標志位均為1同時，將確認序號(Acknowledgement Number)設置為客戶的I S N加1以.即X+1。

第三次握手.
客戶端再次發送確認包(ACK) SYN標志位為0,ACK標志位為1.並且把服務器發來ACK的序號字段+1,放在確定字段中發送給對方.並且在數據段放寫ISN的+1

 SYN攻擊
在三次握手過程中，服務器發送SYN-ACK之后，收到客戶端的ACK之前的TCP連接稱為半連接(half-open connect).此時服務器處於Syn_RECV狀態.當收到ACK后，服務器轉入ESTABLISHED狀態.
Syn攻擊就是 攻擊客戶端 在短時間內偽造大量不存在的IP地址，向服務器不斷地發送syn包，服務器回復確認包，並等待客戶的確認，由於源地址是不存在的，服務器需要不斷的重發直 至超時，這些偽造的SYN包將長時間占用未連接隊列，正常的SYN請求被丟棄，目標系統運行緩慢，嚴重者引起網絡堵塞甚至系統癱瘓。
Syn攻擊是一個典型的DDOS攻擊。檢測SYN攻擊非常的方便，當你在服務器上看到大量的半連接狀態時，特別是源IP地址是隨機的，基本上可以斷定這是一次SYN攻擊.在Linux下可以如下命令檢測是否被Syn攻擊
netstat -n -p TCP | grep SYN_RECV
一般較新的TCP/IP協議棧都對這一過程進行修正來防范Syn攻擊，修改tcp協議實現。主要方法有SynAttackProtect保護機制、SYN cookies技術、增加最大半連接和縮短超時時間等.
但是不能完全防范syn攻擊。

wireshark抓包

1．為什么建立連接協議是三次握手，而關閉連接卻是四次握手呢？

這是因為服務端的LISTEN狀態下的SOCKET當收到SYN報文的連接請求后，它可以把ACK和SYN(ACK起應答作用，而SYN起同步作用)放在一個報文里來發送。但關閉連接時，當收到對方的FIN報文通知時，它僅僅表示對方沒有數據發送給你了；但未必你所有的數據都全部發送給對方了，所以你可能未必會馬上會關閉SOCKET,也即你可能還需要發送一些數據給對方之后，再發送FIN報文給對方來表示你同意現在可以關閉連接了，所以它這里的ACK報文和FIN報文多數情況下都是分開發送的。

2．為什么TIME_WAIT狀態還需要等2MSL后才能返回到CLOSED狀態？

這個問題可以參考《unix 網絡編程》（第三版，2.7 TIME_WAIT狀態）。

TIME_WAIT狀態由兩個存在的理由。

（1）可靠的實現TCP全雙工鏈接的終止。

這是因為雖然雙方都同意關閉連接了，而且握手的4個報文也都協調和發送完畢，按理可以直接回到CLOSED狀態（就好比從SYN_SEND狀態到ESTABLISH狀態那樣）；但是因為我們必須要假想網絡是不可靠的，你無法保證你最后發送的ACK報文會一定被對方收到，因此對方處於LAST_ACK狀態下的SOCKET可能會因為超時未收到ACK報文，而重發FIN報文，所以這個TIME_WAIT狀態的作用就是用來重發可能丟失的ACK報文。

 （2）允許老的重復的分節在網絡中消逝。

假 設在12.106.32.254的1500端口和206.168.1.112.219的21端口之間有一個TCP連接。我們關閉這個鏈接，過一段時間后在 相同的IP地址和端口建立另一個連接。后一個鏈接成為前一個的化身。因為它們的IP地址和端口號都相同。TCP必須防止來自某一個連接的老的重復分組在連 接已經終止后再現，從而被誤解成屬於同一鏈接的某一個某一個新的化身。為做到這一點，TCP將不給處於TIME_WAIT狀態的鏈接發起新的化身。既然 TIME_WAIT狀態的持續時間是MSL的2倍，這就足以讓某個方向上的分組最多存活msl秒即被丟棄，另一個方向上的應答最多存活msl秒也被丟棄。 通過實施這個規則，我們就能保證每成功建立一個TCP連接時。來自該鏈接先前化身的重復分組都已經在網絡中消逝了。

 

3. 為什么不能用兩次握手進行連接？

我們知道，3次握手完成兩個重要的功能，既要雙方做好發送數據的准備工作(雙方都知道彼此已准備好)，也要允許雙方就初始序列號進行協商，這個序列號在握手過程中被發送和確認。
    現在把三次握手改成僅需要兩次握手，死鎖是可能發生的。作為例子，考慮計算機S和C之間的通信，假定C給S發送一個連接請求分組，S收到了這個分組，並發 送了確認應答分組。按照兩次握手的協定，S認為連接已經成功地建立了，可以開始發送數據分組。可是，C在S的應答分組在傳輸中被丟失的情況下，將不知道S 是否已准備好，不知道S建立什么樣的序列號，C甚至懷疑S是否收到自己的連接請求分組。在這種情況下，C認為連接還未建立成功，將忽略S發來的任何數據分 組，只等待連接確認應答分組。而S在發出的分組超時后，重復發送同樣的分組。這樣就形成了死鎖。

 

常見面試題：

• TCP協議和UDP協議的區別是什么
• TCP協議是有連接的，有連接的意思是開始傳輸實際數據之前TCP的客戶端和服務器端必須通過三次握手建立連接，會話結束之后也要結束連接。而UDP是無連接的
• TCP協議保證數據按序發送，按序到達，提供超時重傳來保證可靠性，但是UDP不保證按序到達，甚至不保證到達，只是努力交付，即便是按序發送的序列，也不保證按序送到。
• TCP協議所需資源多，TCP首部需20個字節（不算可選項），UDP首部字段只需8個字節。
• TCP有流量控制和擁塞控制，UDP沒有，網絡擁堵不會影響發送端的發送速率
• TCP是一對一的連接，而UDP則可以支持一對一，多對多，一對多的通信。
• TCP面向的是字節流的服務，UDP面向的是報文的服務。
• TCP介紹和UDP介紹
• 請詳細介紹一下TCP協議建立連接和終止連接的過程？

• 三次握手建立連接時，發送方再次發送確認的必要性？
• 主 要是為了防止已失效的連接請求報文段突然又傳到了B,因而產生錯誤。假定出現一種異常情況，即A發出的第一個連接請求報文段並沒有丟失，而是在某些網絡結 點長時間滯留了，一直延遲到連接釋放以后的某個時間才到達B，本來這是一個早已失效的報文段。但B收到此失效的連接請求報文段后，就誤認為是A又發出一次 新的連接請求，於是就向A發出確認報文段，同意建立連接。假定不采用三次握手，那么只要B發出確認，新的連接就建立了，這樣一直等待A發來數據，B的許多 資源就這樣白白浪費了。
• 四次揮手釋放連接時，等待2MSL的意義？
• 第 一，為了保證A發送的最有一個ACK報文段能夠到達B。這個ACK報文段有可能丟失，因而使處在LAST-ACK狀態的B收不到對已發送的FIN和ACK 報文段的確認。B會超時重傳這個FIN和ACK報文段，而A就能在2MSL時間內收到這個重傳的ACK+FIN報文段。接着A重傳一次確認。
• 第二，就是防止上面提到的已失效的連接請求報文段出現在本連接中，A在發送完最有一個ACK報文段后，再經過2MSL，就可以使本連接持續的時間內所產生的所有報文段都從網絡中消失。

 

 

常見的應用中有哪些是應用TCP協議的，哪些又是應用UDP協議的，為什么它們被如此設計？

• • 以下應用一般或必須用udp實現？
    • 多播的信息一定要用udp實現，因為tcp只支持一對一通信。
    • 如果一個應用場景中大多是簡短的信息，適合用udp實現，因為udp是基於報文段的，它直接對上層應用的數據封裝成報文段，然后丟在網絡中，如果信息量太大，會在鏈路層中被分片，影響傳輸效率。
    • 如果一個應用場景重性能甚於重完整性和安全性，那么適合於udp，比如多媒體應用，缺一兩幀不影響用戶體驗，但是需要流媒體到達的速度快，因此比較適合用udp
    • 如果要求快速響應，那么udp聽起來比較合適
    • 如果又要利用udp的快速響應優點，又想可靠傳輸，那么只能考上層應用自己制定規則了。
    • 常見的使用udp的例子：ICQ,QQ的聊天模塊。

 

以qq為例的一個說明（轉載自知乎）

登陸采用TCP協議和HTTP協議，你和好友之間發送消息，主要采用UDP協議，內網傳文件采用了P2P技術。總來的說： 
1.登陸過程，客戶端client 采用TCP協議向服務器server發送信息，HTTP協議下載信息。登陸之后，會有一個TCP連接來保持在線狀態。 
2.和好友發消息，客戶端client采用UDP協議，但是需要通過服務器轉發。騰訊為了確保傳輸消息的可靠，采用上層協議來保證可靠傳輸。如果消息發送失敗，客戶端會提示消息發送失敗，並可重新發送。 
3.如果是在內網里面的兩個客戶端傳文件，QQ采用的是P2P技術，不需要服務器中轉。

使用TCP的協議：FTP（文件傳輸協議）、Telnet（遠程登錄協議）、SMTP（簡單郵件傳輸協議）、POP3（和SMTP相對，用於接收郵件）、HTTP協議等。

 

補充UDP：

UDP用戶數據報協議，是面向無連接的通訊協議，UDP數據包括目的端口號和源端口號信息，由於通訊不需要連接，所以可以實現廣播發送。 UDP通訊時不需要接收方確認，屬於不可靠的傳輸，可能會出現丟包現象，實際應用中要求程序員編程驗證。

　　UDP與TCP位於同一層，但它不管數據包的順序、錯誤或重發。因此，UDP不被應用於那些使用虛電路的面向連接的服務，UDP主要用於那些面向查詢---應答的服務，例如NFS。相對於FTP或Telnet，這些服務需要交換的信息量較小。

　　每個UDP報文分UDP報頭和UDP數據區兩部分。報頭由四個16位長（2字節）字段組成，分別說明該報文的源端口、目的端口、報文長度以及校驗值。UDP報頭由4個域組成，其中每個域各占用2個字節，具體如下：
　　（1）源端口號；

　　（2）目標端口號；

　　（3）數據報長度；

　　（4）校驗值。

　　使用UDP協議包括：TFTP（簡單文件傳輸協議）、SNMP（簡單網絡管理協議）、DNS（域名解析協議）、NFS、BOOTP。

　　 TCP   與   UDP   的區別：TCP是面向連接的，可靠的字節流服務；UDP是面向無連接的，不可靠的數據報服務。