三次握手和四次揮手以及TCP標志位的詳細介紹

一、TCP標志位

在講TCP三次握手和四次揮手之前，先說一下TCP標志位，方便后續的理解。

簡單來說，TCP標志位的值代表了當前請求的目的。

標志位一共有6種，分別是：

1. SYN(synchronous)： 發送/同步標志，用來建立連接，和下面的第二個標志位ACK搭配使用。連接開始時，SYN=1，ACK=0，代表連接開始但是未獲得響應。當連接被響應的時候，標志位會發生變化，其中ACK會置為1，代表確認收到連接請求，此時的標志位變成了 SYN=1，ACK=1。
2. ACK(acknowledgement)：確認標志，表示確認收到請求。
3. PSH(push) ：表示推送操作，就是指數據包到達接收端以后，不對其進行隊列處理，而是盡可能的將數據交給應用程序處理；
4. FIN(finish)：結束標志，用於結束一個TCP會話；
5. RST(reset)：重置復位標志，用於復位對應的TCP連接。
6. URG(urgent)：緊急標志，用於保證TCP連接不被中斷，並且督促中間層設備盡快處理。

此外，還有兩個序號：

1. Sequence number ：順序號，發送數據包中的第一個字節的序列號，一般為小寫的seq。
2. Acknowledge number：確認號，響應前面的seq，值為seq+1，可以理解為期望下次發出的序列號為seq+1；

二、TCP三次握手

1.TCP三次握手概述

所謂三次握手(Three-way Handshake)，是指建立一個TCP連接時，需要客戶端和服務器總共發送3個包。 三次握手的目的是連接服務器指定端口，建立TCP連接,並同步連接雙方的順序號和確認號並交換 TCP信息

2.圖解TCP三次握手

• 第一次握手：客戶端Client發送位碼為SYN＝1，隨機產生seq=x的數據包到服務器，服務器Server由SYN=1知道，客戶端Client要求建立聯機；
• 第二次握手：服務器Server收到請求后要確認聯機信息，向客戶端Client發送ack=(客戶端Client請求連接時的seq)+1，SYN=1，ACK=1，產生seq=y的包,代表接收到連接請求並且向客戶端再次確認；
• 第三次握手：客戶端Client收到后檢查ack是否正確，即第一次發送的seq+1，以及位碼ACK是否為1，代表收到了服務器端發過來的確認信息。之后客戶端Client會再向服務器發送ack=(服務器Server的seq+1)，ACK=1，服務器Server收到后確認ack 值與ACK=1，連接建立成功。

3.針對TCP連接的安全問題：SYN攻擊

• 危害：SYN攻擊屬於DOS攻擊的一種，它利用TCP協議缺陷，通過發送大量的半連接請求，耗費CPU和內存資源。SYN攻擊除了能影響主機外，還可以危害路由器、防火牆等網絡系統，事實上SYN攻擊並不管目標是什么系統，只要這些系統打開TCP服務就可以實施。
• 原理：在三次握手過程中，服務器發送SYN-ACK（確認收到客戶端請求的連接）之后，收到客戶端的ACK（第三個包）之前的TCP連接稱為半連接(half-open connect).此時服務器處於SYN_RECV（等待客戶端相應）狀態，如果接收到客戶端的ACK，則TCP連接成功，如果未接受到，則會重發請求直至成功。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，影響了正常的SYN，目標系統運行緩慢，嚴重者引起網絡堵塞甚至系統癱瘓。
• 檢測：檢測SYN攻擊非常的方便，當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。
• 防范：主要有兩大類，一類是通過防火牆、路由器等過濾網關防護，另一類是通過加固TCP/IP協議棧防范.但必須清楚的是，SYN攻擊不能完全被阻止，我們所做的是盡可能的減輕SYN攻擊的危害，除非將TCP協議重新設計。

過濾網關防護：

1. 網關超時設置
2. SYN網關
3. SYN代理

加固TCP/IP協議棧：

1. SynAttackProtect機制
2. SYN cookies技術
3. 增加最大半連接數
4. 縮短超時時間

三、圖解TCP四次揮手

1. 客戶端Client進程發出連接釋放報文，並且停止發送數據。其中FIN=1，順序號為seq=m（等於前面已經傳送過來的數據的最后一個字節的序號加1），此時，客戶端Client進入FIN-WAIT-1（終止等待1）狀態。 TCP規定，FIN報文段即使不攜帶數據，也要消耗一個序號。
2. 服務器Server收到連接釋放報文，發出確認報文，ACK=1，ack=m+1，並且帶上自己的順序號seq=n，此時，服務器Server就進入了CLOSE-WAIT（關閉等待）狀態。TCP服務器通知高層的應用進程，客戶端Client向服務器的方向就釋放了，這時候處於半關閉狀態，即客戶端Client已經沒有數據要發送了，但是服務器Server若發送數據，客戶端Client依然要接受。這個狀態還要持續一段時間，也就是整個CLOSE-WAIT狀態持續的時間。
3. 客戶端Client收到服務器Server的確認信息后，此時，客戶端Client就進入FIN-WAIT-2（終止等待2）狀態，等待服務器Server發送連接釋放報文（在這之前還需要接受服務器Server發送的最后的數據）。
4. 服務器Server將最后的數據發送完畢后，就向客戶端發送連接釋放報文，FIN=1，ack=m+1，由於在半關閉狀態，服務器Server很可能又發送了一些數據，假定此時的順序號為seq=p，此時，服務器Server就進入了LAST-ACK（最后確認）狀態，等待客戶端Client的確認。
5. 客戶端Client收到服務器Server的連接釋放報文后，必須發出確認，ACK=1，ack=p+1，而自己的順序號是seq=m+1，此時，客戶端Client就進入了TIME-WAIT（時間等待）狀態。注意此時TCP連接還沒有釋放，必須經過2*MSL（最長報文段壽命）的時間后，當客戶端Client撤銷相應的TCB（保護程序）后，才進入CLOSED狀態。
6. 服務器Server只要收到了客戶端Client發出的確認，立即進入CLOSED狀態。同樣，撤銷TCB后，就結束了這次的TCP連接。可以看到，服務器Server結束TCP連接的時間要比客戶端Client早一些。

四、常見面試題

1.為什么連接的時候是三次握手，關閉的時候卻是四次握手？

答：因為當客戶端發起關閉連接的請求時，發出的FIN，僅代表客戶端沒有需要發送給服務器端的數據了。而如果服務器端如果仍有數據需要發送給客戶端的話，響應報文ACK和結束報文FIN則就不能同時發送給客戶端了。此時，服務器端會先返回一個響應報文，代表接收到了客戶端發出的FIN請求，而后在數據傳輸完了之后，再發出FIN請求，表示服務器端已經准備好斷開連接了。所以關閉連接的時候是四次握手。

2.為什么TIME_WAIT狀態需要經過2MSL(最大報文段生存時間)才能返回到CLOSE狀態？

答：按照前面所說，當四個報文全部發送完畢后，理論上就算是結束了。但是實際情況往往不會那么可靠，比如最后一條報文發出后丟失了，那么服務器端就不會接收到這一報文，每隔一段時間，服務器端會再次發出FIN報文，此時如果客戶端已經斷開了，那么就無法響應服務器的二次請求，這樣服務器會繼續發出FIN報文，從而變成了死循環。所以需要設置一個時間段，如果在這個時間段內接收到了服務器端的再次請求，則代表客戶端發出的ACK報文沒有接收成功。反之，則代表服務器端成功接收響應報文，客戶端進入CLOSED狀態，此次連接成功關閉。而這個時間，就規定為了2MSL，即客戶端發出ACK報文到服務器端的最大時間 + 服務器沒有接收到ACK報文再次發出FIN的最大時間 = 2MSL

3.為什么不能用兩次握手進行連接？

答：三次握手有兩個重要的功能，一是要雙方做好發送數據的准備工作且雙方都知道彼此已准備好，二要允許雙方就初始順序號進行協商，這個順序號在握手過程中被發送和確認。如果改為了兩次握手，是有可能發生死鎖的。在兩次握手的設定下，服務器端在成功接受客戶端的連接請求SYN后，向客戶端發出ACK確定報文時，如果因為網絡原因客戶端沒有接收到，則會一直等待服務器端的ACK報文，而服務器端則認為連接成功建立了，便開始向客戶端發送數據。但是客戶端因為沒有收到服務器端的ACK報文，且不知道服務器的順序號seq，則會認為連接未成功建立，忽略服務器發出的任何數據。如此客戶端一直等待服務器端的ACK報文，而服務器端因為客戶端一直沒有接收數據，而不斷地重復發送數據，從而造成死鎖。

4.如果已經建立了連接，但是客戶端突然出現故障了怎么辦？

答：TCP還設有一個保活計時器，顯然，客戶端如果出現故障，服務器不能一直等下去，白白浪費資源。服務器每收到一次客戶端的請求后都會重新復位這個計時器，時間通常是設置為2小時，若兩小時還沒有收到客戶端的任何數據，服務器就會發送一個探測報文段，以后每隔75秒鍾發送一次。若一連發送10個探測報文仍然沒反應，服務器就認為客戶端出了故障，接着就關閉連接。

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