浅谈 TCP 的三次握手和四次挥手

TCP三次握手和四次挥手的问题在面试中是最为常见的考点之一。很多读者都知道三次和四次,但是如果问深入一点,他们往往都无法作出准确回答。本文就来简单谈谈 TCP 的三次握手和四次挥手。 在了解后面的知识之前我们先来看下 OSI 七层模型吧。

What is the OSI model? 开放式系统互联通信参考模型(英语:Open System Interconnection Reference Model,缩写为 OSI),简称为 OSI 模型(OSI model),一种概念模型,由国际标准化组织(ISO)提出,一个试图使各种计算机在世界范围内互连为网络的标准框架。定义于 ISO/IEC 7498-1。

  • 第 7 层应用层 ( Application Layer )

主要功能: 为应用软件提供接口,使应用程序能够使用网络服务 典型设备: 网关 典型协议、标准和应用: http(80)、ftp(20/21)、smtp(25)、pop3(110)、telnet(23)、dns(53)

  • 第 6 层表示层 ( Presentation Layer )

主要功能: 数据的解码和编码,数据的加密和解密,数据的压缩和解压缩 典型设备: 网关 典型协议、标准和应用: ASCLL、PICT、TIFF、JPEG、 MIDI、MPEG

  • 第 5 层会话层 ( Session Layer )

主要功能: 建立、维护、管理应用程序之间的会话 典型设备: 网关 典型协议、标准和应用: RPC、SQL、NFS 、X WINDOWS、ASP

  • 第 4 层传输层 (Transport Layer)

主要功能: 负责建立端到端的链接,保证保温在端到端之间的传输 典型设备: 网关 典型协议、标准和应用: TCP、UDP、SPX

  • 第 3 层网络层 (Network Layer)

主要功能: 负责将分组数据从源端传输到目的端,网络层的主要作用就是路由和寻址 典型设备: 路由器 典型协议、标准和应用: IP、IPX、APPLETALK、ICMP

  • 第 2 层数据链接层 (Data Link Layer)

主要功能: 在不可靠的物理链路上,提供可靠的数据传输服务 典型设备: 交换机、网桥、网卡 典型协议、标准和应用: 802.2、802.3ATM、HDLC、FRAME RELAY

  • 第 1 层物理层 (Physical Layer)

主要功能: 利用传输介质为数据链路层提供物理连接,实现比特流的透明传输 典型设备: 集线器、中继器 典型协议、标准和应用: V.35、EIA/TIA-232

  • TCP/IP 协议族常用协议

应用层: TFTP,HTTP,SNMP,FTP,SMTP,DNS,Telnet 等等 传输层: TCP,UDP 网络层: IP,ICMP,OSPF,EIGRP,IGMP 数据链路层: SLIP,CSLIP,PPP,MTU

What is TCP/IP ?

互联网协议族(英语:Internet Protocol Suite,缩写为 IPS)[1],是一个网络通信模型,以及一整个网络传输协议家族,为互联网的基础通信架构。它常被通称为 TCP/IP 协议族(英语:TCP/IP Protocol Suite,或 TCP/IP Protocols),简称 TCP/IP [2]。 因为这个协议家族的两个核心协议,包括TCP(传输控制协议)和 IP(网际协议),为这个家族中最早通过的标准[3]。由于在网络通讯协议普遍采用分层的结构,当多个层次的协议共同工作时,类似计算机科学中的堆栈,因此又被称为 TCP/IP 协议栈(英语:TCP/IP Protocol Stack)[4][5] 。 这些协议最早发源于美国国防部(缩写为 DoD)的ARPA 网项目,因此也被称作 DoD 模型(DoD Model)[6]。这个协议套组由互联网工程任务组负责维护。 TCP/IP 提供点对点的链接机制,将数据应该如何封装、定址、传输、路由以及在目的地如何接收,都加以标准化。它将软件通信过程抽象化为四个抽象层,采取协议堆栈的方式,分别实现出不同通信协议。协议套组下的各种协议,依其功能不同,被分别归属到这四个层次结构之中[7][8],常被视为是简化的七层 OSI 模型。

在建立 TCP 连接之前需要进行三次握手,以便于链接到服务器,如果要断开服务器需要进行四次挥手,具体流程如下。

TCP/IP 三次握手

  1. 第一次握手: Client 将标志位 SYN 设置为 1,随机产生一个 Number 值 SEQ=100,并将数据发送给 Server,Client 进入 SYN_SENT 状态,等待 Server 确认;
  2. 第二次握手: Server 收到数据包后 Client 设置的标志位 SYN=1 知道 Client 要求建立连接,Server 将标志位 SYN 和 ACK 都置为 1,并且发送一个确认序号 ACK=100+1,然后随机产生一个值 SEQ=130,并将该数据包发送给 Client 以确认连接请求,Server 进入 SYN_RCVD 状态。
  3. 第三次握手: Client 收到确认后,检查 ACK 状态是否为 100+1,ACK 是否为 1,如果正确则将标志位 ACK 置为 1,ACK=130+1,并将该数据包发送给 Server,Server 检查 ACK 是否为 130+1,ACK 是否为1,如果正确则连接建立成功,Client 和 Server 进入 ESTABLISHED 状态,完成三次握手,随后 Client 与 Server 之间可以开始传输数据了。

一个完整的三次握手也就是请求—应答—再次确认

TCP/IP 四次挥手

为什么要挥手,简单点来说就是既然建立了链接,那么肯定还要断开连接吖,连接总不能一直占用吧,这样多浪费系统该资源,下面让我们来看看四次挥手的流程。

  1. 第一次挥手: Client 发送一个 FIN,用来关闭 Client 到 Server 的数据传送,Client 进入 FIN_WAIT_1 状态。
  2. 第二次挥手: Server 收到 FIN 后,发送一个 ACK 给 Client,确认序号为 ACK=100+1(与 SYN 相同,一个 FIN 占用一个序号),Server 进入 CLOSE_WAIT 状态。
  3. 第三次挥手: Server 发送一个 FIN,用来关闭 Server 到 Client 的数据传送,Server 进入 LAST_ACK 状态。
  4. 第四次挥手: Client 收到 FIN 后,Client 进入 TIME_WAIT 状态,接着发送一个 ACK 给 Server,确认序号为 131+1,Server 进入 CLOSED 状态,完成四次挥手。

Q/A

  • 为什么建立连接是三次握手,而关闭连接却是四次挥手呢?

这是因为服务端在 LISTEN 状态下,收到建立连接请求的 SYN 报文后,把 ACK 和 SYN 放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时,当收到对方的 FIN 报文时,仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据,己方也未必全部数据都发送给对方了,所以己方可以立即 Close,也可以发送一些数据给对方后,再发送 FIN 报文给对方来表示同意现在关闭连接,因此,己方 ACK 和 FIN一般都会分开发送。

  • 为什么建立连接要三次握手?

目的: 防止已经失效的连接请求到达服务端,创建无效的连接,浪费资源。 说明: 当客户端发出的第一个连接请求在网络上的某个节点被滞留了(网络会存在许多不可靠的因素),过一段时间后突然又到达了服务端,服务端误以为这是一个新的建立连接的请求,于是就会向客户端发出确认包并建立连接。 实际上客户端当前并没有发出创建连接的请求,就会丢弃服务端的确认包。而服务端却创建了连接并等待客户端发送数据,浪费了相关的资源。

  • SYN 攻击

在三次握手过程中,服务器发送 SYN-ACK 之后,收到客户端的 ACK 之前的 TCP 连接称为半连接 (half-open connect)。此时服务器处于 SYN_RECV 状态,当收到 ACK 后,服务器转入 ESTABLISHED 状态.

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 ACK 确认包,并等待客户的确认从而建立连接。由于源地址是不存在的,不会再发送 ACK 确认包,所以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,正常的 SYN 请求被丢弃,目标系统运行缓慢,严重者引起网络堵塞甚至系统瘫痪。

SYN 攻击是一个典型的 DDOS 攻击。检测 SYN 攻击非常的方便,当你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

  • 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?

虽然按道理,四个报文都发送完毕,我们可以直接进入 CLOSE 状态了,但是我们必须假象网络是不可靠的,有可以最后一个 ACK 丢失。所以 TIME_WAIT 状态就是用来重发可能丢失的 ACK 报文。

来源:安生博客 原文:http://t.cn/AiCifqeP 题图:来自谷歌图片搜索 版权:本文版权归原作者所有 投稿:欢迎投稿,投稿邮箱: editor@hi-linux.com

原文发布于微信公众号 - 运维之美(Hi-Linux)

原文发表时间:2019-06-12

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