TCP专题

一、TCP连接建立

1、TCP的四元组

TCP属于面向连接——在发送数据之前，需要先建立一条点到点的连接。

TCP的四元组：源IP地址、目标IP地址、源端口、目标端口。可以唯一的区分和标识一条TCP的连接。

2、TCP报文结构

 

序列号：TCP是基于”字节流“的协议，这个序列号就是字节流的编号。

确认序列号：接收方期望收到发送方发送的下一个字节的序列号。

首部长度：标识TCP报文头部的长度，因为存在选项字段，所以是可变长头部，最短是20个字节。

URG：紧急标记位。若置1，则启用紧急指针字段。

ACK：确认标记位。若置1，则启用确认序列号字段。

PSH：推送标记位。若置1，表示该报文不放入缓存空间，直接推送至进程。

RST：重置标记位。若置1，表示强制断开TCP连接，不用四次挥手。

SYN：同步标记位。若置1，表示请求建立连接，通常在三次握手的前两次用到。

FIN：终止标记位。若置1，表示正常断开TCP连接，需要四次挥手。

窗口大小：用于控制流量传输。

校验和：用于确认数据传输的完整性，还会构造伪首部（IP层部分信息）进行校验。

紧急指针：标识需要紧急处理的数据的长度。

选项：用于扩展TCP协议功能，允许在标准头部之外传递额外的控制信息或参数。

3、TCP三次握手

这里的客户端一般指的是先请求建立连接的一方。

第一次握手：客户端发送SYN报文，携带seq序列号。

第二次握手：服务器回复SYN-ACK报文，携带seq序列号和ack确认序列号。

第三次握手：客户端回复ACK报文，携带ack确认序列号。

建立连接过程：

1. 客户端发送SYN报文，其中序列号都是随机生成的，可以防止序列号预测攻击以及避免旧报文的干扰；
2. 服务器收到SYN报文，会为其分配缓存空间，并发送ACK-SYN报文，其中序列号是随机生成的，确认序列号为上一个接收的序列号+1，表示确认收到以及期望收到的下一个序列号；
3. 客户端收到ACK-SYN报文时，此时客户端单方面建立连接，因此下次携带的ACK报文时可以携带数据。

4、TCP的建立状态

分析上面的三次握手流程图，同样地，这里的客户端一般指的是先请求断开连接的一方。

客户端：

1. 关闭状态：在发送SYN请求建立连接之后，进入到下一个状态；
2. SYN_SENT：等待服务器返回的SYN-ACK报文，收到后进入下一个状态；
3. 建立完成状态：此时客户端指向服务器的会话已经建立，所以客户端发送给服务器的最后一个ACK报文是允许携带数据的。 

服务器：

1. 关闭状态：当服务器的应用程序创建一个监听的套接字，将进入到下一个状态；
2. 侦听状态：当接收到客户端发送的SYN报文之后，为TCP连接分配缓存空间，同时发送SYN-ACK报文，进入到下一个状态；
3. SYN_RCVD：等待客户端返回的ACK报文，收到后进入下一个状态；
4. 建立完成状态：TCP双向会话均建立完成。

注意：在第一次握手时，若服务器没有开启listen侦听，在收到SYN报文时，会回复RST报文拒绝建立连接。

5、SYN泛洪攻击

SYN泛洪攻击属于Dos攻击。攻击者伪造大量源 IP 地址，向目标服务器发送大量 SYN 包。服务器回应 SYN-ACK 包后，因源 IP 虚假无法收到 ACK 包，致使连接资源被半开放连接大量占用，从而无法给正常用户提供服务。

 

防御SYN泛洪攻击：

1. 防火墙代理：防火墙代理服务，并设置每目标IP代理阈值和每目标IP丢弃阈值。一开始，客户端正常访问服务器，达到代理阈值后，防火墙开始代理服务；达到丢弃阈值后，防火墙直接把数据包丢弃。 
2. SYN Cookie：收到SYN报文后，不再分配缓存空间，将四元组（源目IP和端口）再加上一个随机数经过hash算法生成一个摘要值，即SYN Cookie，使用SYN Cookie作为序列号回复客户端，同时保存摘要值+1的数值，判断客户端返回的Ack报文是否准确。 

6、疑点解答

（1）为什么一定是三次握手？

三次握手相较于四次握手节省资源资源。

三次握手相较于二次握手，能够解决新旧连接造成资源混乱的问题。

二、TCP连接断开

1、TCP的四次挥手

这里的客户端一般指的是先请求断开连接的一方。

第一次挥手：客户端发送FIN报文。

第二次挥手：服务器回复ACK报文。

第三次挥手：服务器发送FIN报文。

第四次挥手：客户端回复ACK报文。

断开连接过程：

1. 客户端发起FIN报文时，是可以携带最后一段数据的；
2. 服务器回复ACK报文时，断开的是客户端指向服务器的单方面会话，此时，客户端不能给服务器发送数据，而服务器可以继续发送剩下的数据；
3. 等待服务器将数据全部发送完后，再继续发送FIN报文，该报文也可以携带最后一段数据；
4. 客户端回复ACK报文后，双方连接彻底断开。

2、TCP的断开状态

分析上面的四次挥手流程图，同样地，这里的客户端一般指的是先请求断开连接的一方。

客户端：

1. 建立完成状态：发送完所有字节流后，携带最后一组字节流的数据段，同时FIN置1，进入下一个状态；
2. FIN_WAIT_1：等待服务器回复ACK，收到ACK报文应答后，进入下一个状态；
3. FIN_WAIT_2：等待服务器发起FIN，收到FIN报文后，回复ACK确认报文，进入下一个状态；
4. TIME_WAIT：等待2MSL时间后进入下一个状态；
5. 关闭状态： 断开TCP的连接，释放所有TCP连接占用的资源。

服务器：

1. 建立完成状态：收到客户端发送的FIN断开请求后，服务器将回复一个ACK确认报文，进入到下一个状态。
2. CLOSED_WAIT：等待服务器自身数据的发送，当自身所有数据传递完毕后，发送FIN断开请求，进入下一个状态。
3. LAST_ACK：等待客户端进行最后的ACK应答，当收到客户端发送的ACK确认报文之后，进入到下一个状态。
4. 关闭状态：断开TCP连接，释放所有TCP连接占用的资源。

3、疑点解答

（1）为什么要有TIME_WAIT

保证TCP会话可以正常关闭。

（2）为什么TIME_WAIT状态的时间是2MSL

MSL——报文最大存活时间

1.保证最后一个ACK报文丢失的情况下，能够等到对方重传，一来一回正好两个MSL时间，可以保证TCP会话正常断开。

2.设置2MSL，足以让两个方向上的报文都丢弃，再出现新的连接时，不至于被历史报文造成数据错乱。

3.太长会占用资源。

（3）为什么需要四次挥手

在服务器收到FIN报文时，可能还存在未发送完的数据，因此只回复了ACK报文，等待剩余的数据发送完毕则发送FIN报文断开连接。

四次挥手过程是理论上的形式，实际情况中，存在三次挥手，即服务器正好发完了数据，将直接回复ACK-FIN报文。

三、TCP可靠性传输

1、排序机制

首先引入两个概念：

1. 分片：网络层的IP协议执行，当数据包超过 MTU 时，会将其拆分成多个分片传输。
2. MTU：最大传输单元，默认为1500。

分段：TCP是一款基于字节流的协议，可对数据进行分段，以及可以确保数据适合下层（IP层）的 MTU 限制。

MSS：最大段长度。TCP在建立三次握手时，前两个SYN报文中携带该参数，并且双方的该参数允许不同，若不同，则将按照数值最小的执行。MSS最大值为1460（1500 - 20 - 20）

而排序机制则是基于序列号来完成的 ，序列号seq代表字节流中第一个字节的编号。如下图所示，第一个seq=0，数据长度为1000，则字节流范围为0-999，所以下一次发送的序列号seq=1000。

2、确认机制

确认机制则是基于确认序列号来完成的，确认序列号ack是期望收到的下一个seq序列号。如下图所示，在收到对方第一个seq=0，且数据长度为1000，则回复ack=1000，期望对方发送的下一个seq序列号，同时也确认自己收到了完整的数据包。

3、超时重传

超时重传机制指的是本端在一定时间内，没有接收到对端反馈的确认报文而出发的重传机制。

RTO：超时重传时间。

RTT：往返时间。指的是本端将数据发出后，到他接收到对端反馈的确认报文之后的这一段时间。

RTO值在计算时，需要略大于RTT，因为RTT是一个可变化的值，所以RTO也是一共动态变化的值。 

超时间隔加倍机制：

每次发送重传报文之后，会将RTO设为上一次RTO的两倍时间。

4、快速重传

接收方收到一个数据段中的序列号大于自己期望的序列号，称为失序报文。

通过冗余ACK（Duplicate ACK），将缺失的报文段连续发送三遍，这时发送方收到后触发快速重传机制，将seq=200的报文重新发送。

5、SACK

选择确认机制（SACK）：在快速重传机制中，接受方在回复冗余ACK时，里面将携带自身已经接收到的数据信息，避免重复发送造成资源浪费。

抓包：

6、三次握手的可靠性保障

第一次握手丢失： 客户端将按照定义RTO值（默认1s）进行重传，并将RTO值设为双倍，若达到最大重传次数时，还未收到回复包，则断开连接进入CLOSE状态。

第二次握手丢失：客户端和服务器都会触发超时重传机制。

第三次握手丢失：服务器触发超时重传机制。

7、四次挥手的可靠性保障

第一次挥手丢失：客户端等待RTO时间进行重传，并将RTO值设为双倍，若达到最大重传次数时，还未收到回复包，则断开连接进入CLOSE状态。

第二次挥手丢失：客户端触发超时重传机制。服务器只会等待对方再次发送FIN报文才会重新发送ACK报文。

第三次挥手丢失：服务器触发超时重传机制。客户端也只会等待对方再次发送FIN报文才会重新发送ACK报文。

第四次挥手丢失：服务器触发超时重传机制，客户端收到后重新发送ACK报文，并重置2MSL时间。

四、TCP流量控制

1、滑动窗口

窗口：TCP报文（来自对端）里的窗口大小是指无需等待确认应答ack，而可以连续发送的数据包的最大值。

接收窗口（rwnd）：表示的是接收方此时缓存空间可用的大小，且缓存空间中存放的数据是可变化的，所以rwnd也随之变化，这个机制就叫做滑动窗口，且最开始时，rwnd=RcvBuffer。

2、窗口关闭

窗口关闭指的是接收方发送一个窗口值为0的数据报文段，表示接收方自身的缓存空间已经占满，无法再进行数据接收，发送方收到后将不再发送数据。

但由于ACK报文丢失不会触发重传机制，则会导致发送方因未收到窗口更新而长期阻塞。

为了避免上述问题，在窗口关闭时，客户端会周期性发送窗口探测报文（携带1字节数据）。

3、小窗口的处理

小窗口是指接收方通告的可用窗口（rwnd）非常小（如几个字节甚至 1 字节），导致发送方每次只能发送少量数据。因此接收方和发送方分别制订了一套应对规则。

接收方：会设定一个通告窗口的最小值，一般为MSS和1/2缓存空间中的较小值，若通告的窗口值小于最小值，则将通告一个窗口值为0的数据报文段来关闭窗口，直到窗口大小突破最小值。

发送方：一般采用延时处理，只有满足下面条件之一才能发送数据，否则将囤积数据。

1. 窗口大小（rwnd&cwnd） >= MSS 且数据大小 >= MSS；
2. 收到之前发送数据的ACK回报；

五、TCP拥塞控制

1、拥塞判断

拥塞控制：TCP会观察网络的拥堵情况，如果网络拥堵严重，则降低发送量，以缓解网络拥塞的情况。

拥塞判断：

以下行为都为连接中的丢包行为，视为拥塞的表现。

1. 数据包确认超时（超时重传）
2. 收到接收方发送的3个冗余ack（快速重传）

2、拥塞控制算法

拥塞窗口（cwnd）：表示是发送方根据当前网络拥塞程度动态调整的窗口。

发送方发出未收到确认的字节数必须小于或等于rwnd和cwnd的最小值。其中rwnd是接收方设立并通告，cwnd是发送方设立并通告。

TCP的拥塞控制算法（自计时的协议）：慢启动、拥塞避免、快速回复。

3、慢启动

慢启动：最开始cwnd=1MSS，每收到一个新的ACK确认报文（重传的确认报文不计算在内），cwnd就会增加一个MSS的大小。

慢启动门限（ssthresh）：

1. cwnd < ssthresh 时，使用 慢启动算法。
2. cwnd = ssthresh 时，使用 慢启动算法/拥塞避免算法。
3. cwnd > ssthresh 时，使用 拥塞避免算法。

4、拥塞避免

拥塞避免：在一个RTT（往返时间）内，cwnd只增长一共MSS。

5、快速恢复

数据包确认超时处理：首先将ssthresh值设置为当前cwnd值的一半，之后将cwnd设置为1个MSS，按照新的ssthresh值，执行慢启动算法，达到门限值后，重新进入到拥塞避免算法中。

收到接收方发送的3个冗余ACK处理：首先将ssthresh值设定为当前cwnd值的一半，之后直接基于ssthresh值执行拥塞避免算法。