三次握手和四次挥手以及TCP标志位的详细介绍

一、TCP标志位

在讲TCP三次握手和四次挥手之前，先说一下TCP标志位，方便后续的理解。

简单来说，TCP标志位的值代表了当前请求的目的。

标志位一共有6种，分别是：

1. SYN(synchronous)： 发送/同步标志，用来建立连接，和下面的第二个标志位ACK搭配使用。连接开始时，SYN=1，ACK=0，代表连接开始但是未获得响应。当连接被响应的时候，标志位会发生变化，其中ACK会置为1，代表确认收到连接请求，此时的标志位变成了 SYN=1，ACK=1。
2. ACK(acknowledgement)：确认标志，表示确认收到请求。
3. PSH(push) ：表示推送操作，就是指数据包到达接收端以后，不对其进行队列处理，而是尽可能的将数据交给应用程序处理；
4. FIN(finish)：结束标志，用于结束一个TCP会话；
5. RST(reset)：重置复位标志，用于复位对应的TCP连接。
6. URG(urgent)：紧急标志，用于保证TCP连接不被中断，并且督促中间层设备尽快处理。

此外，还有两个序号：

1. Sequence number ：顺序号，发送数据包中的第一个字节的序列号，一般为小写的seq。
2. Acknowledge number：确认号，响应前面的seq，值为seq+1，可以理解为期望下次发出的序列号为seq+1；

二、TCP三次握手

1.TCP三次握手概述

所谓三次握手(Three-way Handshake)，是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务器总共发送3个包。
三次握手的目的是连接服务器指定端口，建立TCP连接,并同步连接双方的顺序号和确认号并交换 TCP信息

2.图解TCP三次握手

• 第一次握手：客户端Client发送位码为SYN＝1，随机产生seq=x的数据包到服务器，服务器Server由SYN=1知道，客户端Client要求建立联机；
• 第二次握手：服务器Server收到请求后要确认联机信息，向客户端Client发送ack=(客户端Client请求连接时的seq)+1，SYN=1，ACK=1，产生seq=y的包,代表接收到连接请求并且向客户端再次确认；
• 第三次握手：客户端Client收到后检查ack是否正确，即第一次发送的seq+1，以及位码ACK是否为1，代表收到了服务器端发过来的确认信息。之后客户端Client会再向服务器发送ack=(服务器Server的seq+1)，ACK=1，服务器Server收到后确认ack 值与ACK=1，连接建立成功。

3.针对TCP连接的安全问题：SYN攻击

• 危害：SYN攻击属于DOS攻击的一种，它利用TCP协议缺陷，通过发送大量的半连接请求，耗费CPU和内存资源。SYN攻击除了能影响主机外，还可以危害路由器、防火墙等网络系统，事实上SYN攻击并不管目标是什么系统，只要这些系统打开TCP服务就可以实施。
• 原理：在三次握手过程中，服务器发送SYN-ACK（确认收到客户端请求的连接）之后，收到客户端的ACK（第三个包）之前的TCP连接称为半连接(half-open connect).此时服务器处于SYN_RECV（等待客户端相应）状态，如果接收到客户端的ACK，则TCP连接成功，如果未接受到，则会重发请求直至成功。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，影响了正常的SYN，目标系统运行缓慢，严重者引起网络堵塞甚至系统瘫痪。
• 检测：检测SYN攻击非常的方便，当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。
• 防范：主要有两大类，一类是通过防火墙、路由器等过滤网关防护，另一类是通过加固TCP/IP协议栈防范.但必须清楚的是，SYN攻击不能完全被阻止，我们所做的是尽可能的减轻SYN攻击的危害，除非将TCP协议重新设计。

过滤网关防护：

1. 网关超时设置
2. SYN网关
3. SYN代理

加固TCP/IP协议栈：

1. SynAttackProtect机制
2. SYN cookies技术
3. 增加最大半连接数
4. 缩短超时时间

三、图解TCP四次挥手

1. 客户端Client进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。其中FIN=1，顺序号为seq=m（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端Client进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
2. 服务器Server收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=m+1，并且带上自己的顺序号seq=n，此时，服务器Server就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端Client向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端Client已经没有数据要发送了，但是服务器Server若发送数据，客户端Client依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
3. 客户端Client收到服务器Server的确认信息后，此时，客户端Client就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器Server发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器Server发送的最后的数据）。
4. 服务器Server将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=m+1，由于在半关闭状态，服务器Server很可能又发送了一些数据，假定此时的顺序号为seq=p，此时，服务器Server就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端Client的确认。
5. 客户端Client收到服务器Server的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=p+1，而自己的顺序号是seq=m+1，此时，客户端Client就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2*MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端Client撤销相应的TCB（保护程序）后，才进入CLOSED状态。
6. 服务器Server只要收到了客户端Client发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器Server结束TCP连接的时间要比客户端Client早一些。

四、常见面试题

1.为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手？

答：因为当客户端发起关闭连接的请求时，发出的FIN，仅代表客户端没有需要发送给服务器端的数据了。而如果服务器端如果仍有数据需要发送给客户端的话，响应报文ACK和结束报文FIN则就不能同时发送给客户端了。此时，服务器端会先返回一个响应报文，代表接收到了客户端发出的FIN请求，而后在数据传输完了之后，再发出FIN请求，表示服务器端已经准备好断开连接了。所以关闭连接的时候是四次握手。

2.为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态？

答：按照前面所说，当四个报文全部发送完毕后，理论上就算是结束了。但是实际情况往往不会那么可靠，比如最后一条报文发出后丢失了，那么服务器端就不会接收到这一报文，每隔一段时间，服务器端会再次发出FIN报文，此时如果客户端已经断开了，那么就无法响应服务器的二次请求，这样服务器会继续发出FIN报文，从而变成了死循环。所以需要设置一个时间段，如果在这个时间段内接收到了服务器端的再次请求，则代表客户端发出的ACK报文没有接收成功。反之，则代表服务器端成功接收响应报文，客户端进入CLOSED状态，此次连接成功关闭。而这个时间，就规定为了2MSL，即客户端发出ACK报文到服务器端的最大时间 + 服务器没有接收到ACK报文再次发出FIN的最大时间 = 2MSL

3.为什么不能用两次握手进行连接？

答：三次握手有两个重要的功能，一是要双方做好发送数据的准备工作且双方都知道彼此已准备好，二要允许双方就初始顺序号进行协商，这个顺序号在握手过程中被发送和确认。如果改为了两次握手，是有可能发生死锁的。在两次握手的设定下，服务器端在成功接受客户端的连接请求SYN后，向客户端发出ACK确定报文时，如果因为网络原因客户端没有接收到，则会一直等待服务器端的ACK报文，而服务器端则认为连接成功建立了，便开始向客户端发送数据。但是客户端因为没有收到服务器端的ACK报文，且不知道服务器的顺序号seq，则会认为连接未成功建立，忽略服务器发出的任何数据。如此客户端一直等待服务器端的ACK报文，而服务器端因为客户端一直没有接收数据，而不断地重复发送数据，从而造成死锁。

4.如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？

答：TCP还设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75秒钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。

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