TCP协议---三次握手和四次挥手详解 （不看后悔系列）

TCP协议简介

TCP，全称Transfer Control Protocol，中文名为传输控制协议，它工作在OSI的传输层，提供面向连接的可靠传输服务。是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793 [1] 定义。

TCP的工作主要是建立连接，然后从应用层程序中接收数据并进行传输。TCP采用虚电路连接方式进行工作，在发送数据前它需要在发送方和接收方建立一个连接，数据在发送出去后，发送方会等待接收方给出一个确认性的应答，否则发送方将认为此数据丢失，并重新发送此数据。

工 作：与IP协议共同使用

下面我们来介绍一下TCP的报头结构和相关工作原理：

TCP报头

TCP报头总长最小为20个字节，其报头结构如下图（图1）所示；

源端口：指定了发送端的端口

目的端口：指定了接受端的端口号

序号：指明了段在即将传输的段序列中的位置

确认号：规定成功收到段的序列号，确认序号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号

TCP偏移量：指定了段头的长度。段头的长度取决与段头选项字段中设置的选项

保留：指定了一个保留字段，以备将来使用

标志：SYN、ACK、PSH、RST、URG、FIN

SYN： 表示同步

ACK： 表示确认

PSH： 表示尽快的将数据送往接收进程

RST： 表示复位连接

URG： 表示紧急指针

FIN： 表示发送方完成数据发送

窗口：指定关于发送端能传输的下一段的大小的指令

校验和：校验和包含TCP段头和数据部分，用来校验段头和数据部分的可靠性

紧急：指明段中包含紧急信息，只有当U R G标志置1时紧急指针才有效

选项：指定了公认的段大小，时间戳，选项字段的末端，以及指定了选项字段的边界选项

TCP工作原理

1）TCP连接建立：TCP的连接建立过程又称为TCP三次握手。首先发送方主机向接收方主机发起一个建立连接的同步（SYN）请求；接收方主机在收到这个请求后向送方主机回复一个同步/确认（SYN/ACK）应答；发送方主机收到此包后再向接收方主机发送一个确认（ACK），此时TCP连接成功建立；这种建立连接的方法可以防止产生错误的连接。

TCP三次握手的过程如下：

a、客户端发送SYN（SEQ=x）报文给服务器端，进入SYN_SEND状态。
b、服务器端收到SYN报文，回应一个SYN （SEQ=y）ACK（ACK=x+1）报文，进入SYN_RECV状态。
c、客户端收到服务器端的SYN报文，回应一个ACK（ACK=y+1）报文，进入Established状态。
三次握手完成，TCP客户端和服务器端成功地建立连接，可以开始传输数据了。

建立一个连接需要三次握手，而终止一个连接要经过四次握手，这是由TCP的半关闭（half-close）造成的。也就是下面的TCP连接关闭。

2）TCP连接关闭：发送方主机和目的主机建立TCP连接并完成数据传输后，会发送一个将结束标记置1的数据包，以关闭这个TCP连接，并同时释放该连接占用的缓冲区空间；

TCP四次挥手具体如下：
a、某个应用进程首先调用close，称该端执行“主动关闭”（active close）。该端的TCP于是发送一个FIN分节，表示数据发送完毕。
b、接收到这个FIN的对端执行 “被动关闭”（passive close），这个FIN由TCP确认。
注意：FIN的接收也作为一个文件结束符（end-of-file）传递给接收端应用进程，放在已排队等候该应用进程接收的任何其他数据之后，因为，FIN的接收意味着接收端应用进程在相应连接上再无额外数据可接收。
c、一段时间后，接收到这个文件结束符的应用进程将调用close关闭它的套接字。这导致它的TCP也发送一个FIN。
d、接收这个最终FIN的原发送端TCP（即执行主动关闭的那一端）确认这个FIN。
既然每个方向都需要一个FIN和一个ACK，因此通常需要4个分节。

3）TCP重置：TCP允许在传输的过程中突然中断连接，这称为TCP重置；
4）TCP数据排序和确认：TCP是一种可靠传输的协议，它在传输的过程中使用序列号和确认号来跟踪数据的接收情况；
5）TCP重传：在TCP的传输过程中，如果在重传超时时间内没有收到接收方主机对某数据包的确认回复，发送方主机就认为此数据包丢失，并再次发送这个数据包给接收方，这称为TCP重传；
6）TCP延迟确认：TCP并不总是在接收到数据后立即对其进行确认，它允许主机在接收数据的同时发送自己的确认信息给对方。
7）TCP数据保护（校验和）：TCP是可靠传输的协议，它提供校验和计算来实现数据在传输过程中的完整性。

科来解码详解

要看懂TCP解码信息，就必须清楚知道TCP工作原理和TCP报头的相关字段信息。

下面我们就通过科来网络分析系统中的解码信息来认识TCP协议的报头。如下图。

图2　科来网络分析系统TCP解码信息

上图显示了TCP协议中报头中字段的详细信息，这里的解码信息完全和TCP报头结构相吻合，下面我们分别来介绍解码视图中的信息：

1.源端口：1041，偏移量为34，值为2个字节；
2.目标端口：5001，端口名为 complex-link,偏移量为36，值为2个字节；
3.序列号：TCP数据包序列号为148694863，偏移量38，值为4个字节；
4.确认号：确认号为387135032，偏移量为42，值为4个字节；
5.TCP偏移量：TCP偏移量为5，偏移量为46，值为4位；
6.标志：PSH和ACK的值为1，这是一个确认包，收到的有效段立即发给应用，不要放入缓冲区；
7.窗口：表示接收端能够接收的下一段的大小64124；
8.校验和：校验和为0x10D4（正确），表示数据没有被修改和损坏，是完整的；
9.紧急指针：因为标志字段中URG标志位的值为0，所以这里无紧急指针；
10.无TCP选项：无选项内容。

wireshark解码详解

三次握手和四次挥手

数据包的大致结构

第一行：数据包整体概述，
第二行：链路层详细信息，主要的是双方的mac地址
第三行：网络层详细信息，主要的是双方的IP地址
第四行：传输层的详细信息，主要的是双方的端口号。

具体的一些操作方法方式自己百度学习，小编就不在这里讲了。

你不知道的三次握手

为什么需要有三次握手？

这里很多人都会这么说：

1）第一次握手：客户端给服务器发送一个 SYN 报文。
2）第二次握手：服务器收到 SYN 报文之后，会应答一个 SYN+ACK 报文。
3）第三次握手：客户端收到 SYN+ACK 报文之后，会回应一个 ACK 报文。
4）服务器收到 ACK 报文之后，三次握手建立完成。
因为是为了确认双方的接收与发送能力是否正常。

那么问题又来了 接下来讲讲第二个问题

为啥只有三次握手才能确认双方的接受与发送能力是否正常，而两次却不可以？

1）第一次握手：客户端发送网络包，服务端收到了。这样服务端就能得出结论：客户端的发送能力、服务端的接收能力是正常的。
2）第二次握手：服务端发包，客户端收到了。这样客户端就能得出结论：服务端的接收、发送能力，客户端的接收、发送能力是正常的。不过此时服务器并不能确认客户端的接收能力是否正常。
3）第三次握手：客户端发包，服务端收到了。这样服务端就能得出结论：客户端的接收、发送能力正常，服务器自己的发送、接收能力也正常。
因此，需要三次握手才能确认双方的接收与发送能力是否正常。

以上的说法也很好，但是更加分的表达是这样的：

刚开始客户端处于 closed 的状态，服务端处于 listen 状态。
然后
1）第一次握手：客户端给服务端发一个 SYN 报文，并指明客户端的初始化序列号 ISN©。此时客户端处于 SYN_Send 状态。
2）第二次握手：服务器收到客户端的 SYN 报文之后，会以自己的 SYN 报文作为应答，并且也是指定了自己的初始化序列号 ISN(s)，同时会把客户端的 ISN + 1 作为 ACK 的值，表示自己已经收到了客户端的 SYN，此时服务器处于 SYN_REVD 的状态。
3）第三次握手：客户端收到 SYN 报文之后，会发送一个 ACK 报文，当然，也是一样把服务器的 ISN + 1 作为 ACK 的值，表示已经收到了服务端的 SYN 报文，此时客户端处于 establised 状态。
4）服务器收到 ACK 报文之后，也处于 establised 状态，此时，双方以建立起了链接。

那么三次挥手的作用有哪些呢 ？

三次握手的作用也是有好多的，多记住几个，保证不亏。例如：

1)确认双方的接受能力、发送能力是否正常。
2)指定自己的初始化序列号，为后面的可靠传送做准备。

（ISN）是固定的吗？

三次握手的一个重要功能是客户端和服务端交换ISN(Initial Sequence Number), 以便让对方知道接下来接收数据的时候如何按序列号组装数据。
如果ISN是固定的，攻击者很容易猜出后续的确认号，因此 ISN 是动态生成的。

什么是半连接队列？

服务器第一次收到客户端的 SYN 之后，就会处于 SYN_RCVD 状态，此时双方还没有完全建立其连接，服务器会把此种状态下请求连接放在一个队列里，我们把这种队列称之为半连接队列。当然还有一个全连接队列，就是已经完成三次握手，建立起连接的就会放在全连接队列中。如果队列满了就有可能会出现丢包现象。

这里在补充一点关于SYN-ACK 重传次数的问题：　服务器发送完SYN－ACK包，如果未收到客户确认包，服务器进行首次重传，等待一段时间仍未收到客户确认包，进行第二次重传，如果重传次数超 过系统规定的最大重传次数，系统将该连接信息从半连接队列中删除。注意，每次重传等待的时间不一定相同，一般会是指数增长，例如间隔时间为 1s, 2s, 4s, 8s, …

三次握手过程中可以携带数据吗？

很多人可能会认为三次握手都不能携带数据，其实第三次握手的时候，是可以携带数据的。也就是说，第一次、第二次握手不可以携带数据，而第三次握手是可以携带数据的。

为什么这样呢？大家可以想一个问题，假如第一次握手可以携带数据的话，如果有人要恶意攻击服务器，那他每次都在第一次握手中的 SYN 报文中放入大量的数据，因为攻击者根本就不理服务器的接收、发送能力是否正常，然后疯狂着重复发 SYN 报文的话，这会让服务器花费很多时间、内存空间来接收这些报文。也就是说，第一次握手可以放数据的话，其中一个简单的原因就是会让服务器更加容易受到攻击了。

而对于第三次的话，此时客户端已经处于 established 状态，也就是说，对于客户端来说，他已经建立起连接了，并且也已经知道服务器的接收、发送能力是正常的了，所以能携带数据页没啥毛病。

你不知道的四次挥手

四次挥手过程：

刚开始双方都处于 establised 状态，假如是客户端先发起关闭请求，则：
1）第一次挥手：客户端发送一个 FIN 报文，报文中会指定一个序列号。此时客户端处于FIN_WAIT1状态。
2）第二次握手：服务端收到 FIN 之后，会发送 ACK 报文，且把客户端的序列号值 + 1 作为 ACK 报文的序列号值，表明已经收到客户端的报文了，此时服务端处于 CLOSE_WAIT状态。
3）第三次挥手：如果服务端也想断开连接了，和客户端的第一次挥手一样，发给 FIN 报文，且指定一个序列号。此时服务端处于 LAST_ACK 的状态。
4）第四次挥手：客户端收到 FIN 之后，一样发送一个 ACK 报文作为应答，且把服务端的序列号值 + 1 作为自己 ACK 报文的序列号值，此时客户端处于 TIME_WAIT 状态。需要过一阵子以确保服务端收到自己的 ACK 报文之后才会进入 CLOSED 状态
5）服务端收到 ACK 报文之后，就处于关闭连接了，处于 CLOSED 状态。

这里特别需要注意的就是TIME_WAIT这个状态了

为什么客户端发送 ACK 之后不直接关闭，而是要等一阵子才关闭？

原因就是，要确保服务器是否已经收到了我们的 ACK 报文，如果没有收到的话，服务器会重新发 FIN 报文给客户端，客户端再次收到 ACK 报文之后，就知道之前的 ACK 报文丢失了，然后再次发送 ACK 报文。

那TIME_WAIT 持续的时间是多久呢？

至于 TIME_WAIT 持续的时间至少是一个报文的来回时间。一般会设置一个计时，如果过了这个计时没有再次收到 FIN 报文，则代表对方成功接收到了ACK 报文，此时处于 CLOSED 状态。

各个状态的含义是什么？

LISTEN - 侦听来自远方TCP端口的连接请求；
SYN-SENT -在发送连接请求后等待匹配的连接请求；
SYN-RECEIVED - 在收到和发送一个连接请求后等待对连接请求的确认；
ESTABLISHED- 代表一个打开的连接，数据可以传送给用户；
FIN-WAIT-1 - 等待远程TCP的连接中断请求，或先前的连接中断请求的确认；
FIN-WAIT-2 - 从远程TCP等待连接中断请求；
CLOSE-WAIT - 等待从本地用户发来的连接中断请求；
CLOSING -等待远程TCP对连接中断的确认；
LAST-ACK - 等待原来发向远程TCP的连接中断请求的确认；
TIME-WAIT -等待足够的时间以确保远程TCP接收到连接中断请求的确认；
CLOSED - 没有任何连接状态；

最后，在放在三次握手与四次挥手的图