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计算机网络---传输层（tcp协议，三次握手，四次挥手）

2023-05-16
  • tcp报头
  • 三次握手四次挥手
  • 状态改变
  • WIME_WAIT状态
  • 相关的问题
    tcp协议是面向连接，可靠传输，面向字节流的传输层协议，
    首先我们认识一下tcp的协议报头
    在这里插入图片描述
  • 源/目的端口：表示数据是从哪个进程来，到哪个进程去，标志我们的数据发送的进程
  • 32序号和确认序号：这是保证了数据的可靠传输的（后面详细讲解）
  • 4位TCP报头长度：表示该TCP头部有多少个32位bit（有多少4字节），所以TCP头部最大长度是15*4-60字节
  • 6位标志位
    （1）URG：紧急指针是否有效
    （2）ACK：确认号是否有效
    （3）PSH：提示接收端应用程序立刻从TCP缓冲区把数据读走
    （4）RST：对象要求重新建立连接，我们把携带RST标识的称为复位报文段
    （5）SYN：请求建立连接，我们把携带SYN标识的称为同步报文段
    （6）FIN：通知对方，本端要关闭了，我们称携带FIN标识的位结束报文段
  • 16位窗口大小：在滑动窗口机制中使用，在后面解释
  • 16位校验和：发送端填充，CRC校验，接收端校验不通过的时候数据出错，检验和包括了数据和头部
  • 16位紧急指针：标识那部分数据是紧急数据
  • 40字节头部选项

TCP是面向连接的，那怎样去实现我们的面向连接呢，这时候就是三次握手建立连接以及四次挥手关闭连接。如下图

在这里插入图片描述
三次握手过程：首先发起连接请求的是客户端，给服务器端发送一个SYN请求，并且可以携带一定的数据，也可以不用携带，在我们的服务端收到一个SYN请求的时候会给客户端回复一个ACK+SYN，ACK作用就是服务端确定收到了这么一个请求，SYN是和客户端建立一个连接请求，在客户端收到请求之后会发送一个ACK请求，这里我们就三次握手即完成了。
服务端状态改变：服务端在从CLOSED状态到我们的SYN_RCVD就是我们创建套接字，绑定我们的ip信息，设置监听，在设置监听之后服务端才能对SYN请求包进行接收，在接收到一个SYN请求之后服务端状态就变为了SYN_RCVD状态。就表示我们已经接收到了客户端发来的请求。在发送SYN+ACK之后客户端回复之后服务端就变为ESTABLISHED状态。
客户端状态接收
客户端从CLOSED状态变为SYN_SENT状态就是我们建立一个套接字，并且进行connect()之后就变为SYN_SEND状态，，在发送SYN之后收到服务端回复之后就变为ESTABLISHED状态。
只有客户端和服务端都处于ESTABLISHED状态的时候才能进行数据通信

数据通信：就是进行send和recv操作，在上图中是客户端发送数据，服务端需要回复一个ACK，表示这已经成功接收到了数据

四次挥手
这和三次握手不一样，三次握手是客户端发起的SYN请求，在四次挥手中客户端和服务端都能发起断开连接请求。比如上图中。首先客户端给服务端发起一个FIN包，表示我要和你断开连接，在服务端收到FIN包的时候回复一个ACK表示我已经收到了你的请求，并且给客户端也发送一个FIN包，表示我也要和你断开连接，客户端收到FIN后回复给服务端一个ACK，当服务端收到之后连接就此断开。
客户端状态变化
当客户端发起FIN就是我们close()产生的。当调用close()之后客户端变为FIN_WAIT1状态在发送FIN包之后服务端收到之后并且发起一个ASK应答，在客户端收到之后变为FIN_WAIT2状态，到服务端也发起一个FIN请求，在客户端收到之后就变为TIME_WAIT状态，当服务端CLOSE之后客户端也进入CLOSED状态。
服务端状态变化
当接收到客户端发出的FIN请求的之后服务端变为CLOSE_WAIT状态，在回复ACK应答之后给客户端发起一个FIN之后变为LAST_ACK，知道最后变为CLOSED状态

状态变化图

特殊状态
在三次回收四次握手中有两个特殊的状态，一个是ESTABLISHED和TIME_WAIT状态，并且是必不可少的。

  • ESTABLISHED：是建立三次握手之后的客户端和服务端的状态，只有两边同时处于ESTABLISHED状态才能进行数据通信
  • TIME_WAIT（主动关闭方才有）
    （1）如果没有TIME_WAIT状态的话在四次挥手中加入客户端发送的ACK丢失的话服务端不能关闭，但是客户端已经关闭了，当收不到ACK的时候服务端会重新发送一个FIN包请求，这时候客户端已经关闭，假如一个新的客户端建立之后使用先前的端口信息，会直接将FIN包发送给新的客户端，这回对新的连接造成影响
    （2）若新客户端使用相同端口信息，向服务端发送FIN请求，但是服务端因为没有收到最后一个ACK请求处于LAST_ACK状态，在收到SYN后判定状态错误，回复RST报文重置连接，也对新的连接造成影响。
    （3）TIME_WAIT一般持续时间是2MSL（报文最长生命周期）因为在ACK丢失的时候，导致对方重传的时候需要2*MSK，也是等待网络中所有双方延迟的报文消失在网络中，不会对后序的操作造成影响。

相关问题
（1）为什么握手是三次，挥手是四次呢？
握手是三次是确保可靠的基本需要，因为2次是不能建立连接的，但是四次又太多余了，ACK和SYN是可以一起发送的。就像我们打电话一样，接通之后需要确定双方都能听到对方的声音。
挥手是四次：当被动方收到主动方报文通知时，他仅仅表示主动方没有数据在发送给被动方了，但是未必被动方所有的数据都完整的发送给了主动方，所以被动方不会马上关闭SOCKET，他可能还需要发送给主动方一些数据再发送FIN报文给主动方，告诉主动方统一关闭连接。所以这里的FIN和ACK是分开发送的。
（2）若三次握手第三次握手失败，服务端如何去处理？
第三次握手失败之后并不会重传ACK报文，而是直接发送RTS报文段，进入CLOSED状态，这样的目的就是为了防止SYN泛洪攻击
（3）SYN泛洪攻击是什么，怎样去预防？
SYN泛洪攻击就是利用TCP三次握手机制，攻击端利用伪造的IP地址向被攻击端发出请求，而被供给端发出的响应报文将永远发送不到目的地，那么背攻击端在等待关闭这个连接的过程中消耗了资源，当连接成千上万的时候主机资源被消耗完，服务端就瘫痪了。
预防

  • 增加TCP backlog队列
    由于其基本原理是依赖于终端主机连接套接字的backlog溢出，因此一个显然的基于终端主机的解决方案是增加backlog队列的大小。通过修改listen()函数的参数和一个操作系统内核参数SOMAXCONN
  • 减少SYN_RECEIVED的时间
    缩短一个TCP从进入SYN_RCVD状态到因未进入下一个状态而被回收的事件，
    等等…

（4）TIME_WAIT的作用（在上面已经讲解过了）
（5）若服务端出现了大量的TIME_WAIT状态，为什么？如何解决？
只有在主动关闭方才会出现TIME_WAIT状态，一般来说都是客户端主动关闭，服务端不会出现TIME_WAIT状态，但是有一些特殊的服务，比如pop/smtp,ftp却是服务端收到客户端的QUIT命令之后主动关闭连接，这就造成服务端出现大量的TIME_WAIT状态，
解决办法：让服务器能够快速回收和重用那些TIME_WAIT的资源，修改参数，设置端口复用。将TIME_WAIT的时间设置小点。就可以减少TIME_WAIT的状态数量

（6）服务端保持大量的CLOSE_WAIT状态，为什么？如何解决？
出现原因：对方在关闭连接之后服务器程序自己没有进一步发出ACK信号，换句话说就是在对方连接关闭之后程序里没有检测到，或者程序压根就忘记这个时候需要关闭连接，所以这个资源一直被程序占用。（对方连接的异常或者自己没有迅速的回收资源）
解决办法：查看代码，这是代码中出现的错误。比如没有关闭套接字等等。

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