TCP详解

1. TCP

1.1 概念

• 面向连接、可靠的基于字节流的传输协议。
• 将应用层的的数据分割成报文段并发送给目标节点的 TCP 层
• 每个数据包都有相对应的序号，对方收到后就发送 ACK 确认，未收到就重传
• 使用校验和来检测传输过程中是否出现错误

1.2 TCP 报文头

1.3 TCP 报文头字段含义

1. Source Port和Destination Port:

分别占用16位，表示源端口号和目的端口号，用于区别主机中的不同进程， 而IP地址是用来区分不同的主机的，源端口号和目的端口号配合上IP首部中的源IP地址和目的IP地址就能唯一 的确定一个TCP连接。

2. Sequence Number:

用来标识从TCP发端向TCP收端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的的第一个数据 字节在数据流中的序号;主要用来解决网络报文乱序的问题。

3. Acknowledgment Number:

32位确认序列号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号，因此，确认序号应 当是上次已成功收到数据字节序号加1。不过，只有当标志位中的ACK标志(下面介绍)为1时该确认序列号的字 段才有效。主要用来解决不丢包的问题。

4. Offset:

给出首部中32 bit字的数目，需要这个值是因为任选字段的长度是可变的。这个字段占4bit(最多能 表示15个32bit的的字，即4*15=60个字节的首部长度)，因此TCP最多有60字节的首部。然而，没有任选字段， 正常的长度是20字节。

5. TCP Flags:

TCP首部中有6个标志比特，它们中的多个可同时被设置为1，主要是用于操控TCP的状态机的，依次 为URG，ACK，PSH，RST，SYN，FIN。每个标志位的意思如下：

• URG：此标志表示TCP包的紧急指针域(后面马上就要说到)有效，用来保证TCP连接不被中断，并且督促 中间层设备要尽快处理这些数据。

• ACK 此标志表示应答域有效，就是说前面所说的TCP应答号将会包含在TCP数据包中;有两个取值：0和1， 为1的时候表示应答域有效，反之为0。

• PSH：这个标志位表示Push操作。所谓Push操作就是指在数据包到达接收端以后，立即传送给应用程序， 而不是在缓冲区中排队。

• RST：这个标志表示连接复位请求。用来复位那些产生错误的连接，也被用来拒绝错误和非法的数据包。

• SYN：表示同步序号，用来建立连接。SYN标志位和ACK标志位搭配使用，当连接请求的时候，SYN=1， ACK=0;连接被响应的时候，SYN=1，ACK=1;这个标志的数据包经常被用来进行端口扫描。扫描者发送 一个只有SYN的数据包，如果对方主机响应了一个数据包回来 ，就表明这台主机存在这个端口;但是由于这 种扫描方式只是进行TCP三次握手的第一次握手，因此这种扫描的成功表示被扫描的机器不很安全，一台安全 的主机将会强制要求一个连接严格的进行TCP的三次握手。

• FIN：表示发送端已经达到数据末尾，也就是说双方的数据传送完成，没有数据可以传送了，发送FIN标志 位的TCP数据包后，连接将被断开。这个标志的数据包也经常被用于进行端口扫描。

6. Window:

滑动窗口大小 (流量控制)。

7. 校验和：

奇偶校验，此校验和是对整个的 TCP 报文段，包括 TCP 头部和 TCP 数据，以 16 位字进行计算所得。由发送端计算和存储，并由接收端进行验证。

8. 紧急指针：

只有当 URG 标志置 1 时紧急指针才有效。紧急指针是一个正的偏移量，和顺序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。 TCP 的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。

9. 选项和填充：

最常见的可选字段是最长报文大小，又称为MSS（Maximum Segment Size），每个连接方通常都在通信的第一个报文段（为建立连接而设置SYN标志为1的那个段）中指明这个选项，它表示本端所能接受的最大报文段的长度。选项长度不一定是32位的整数倍，所以要加填充位，即在这个字段中加入额外的零，以保证TCP头是32的整数倍。

10. 数据部分：

TCP 报文段中的数据部分是可选的。在一个连接建立和一个连接终止时，双方交换的报文段仅有 TCP 首部。如果一方没有数据要发送，也使用没有任何数据的首部来确认收到的数据。在处理超时的许多情况中，也会发送不带任何数据的报文段。

2. 三次握手

2.1 原因

为什么需要三次握手：

• IP 是位于网络层的无连接的通讯协议，IP 协议只负责将 IP 包送往发送给目的地，但不确保发送到目的地，所以在传输层采用有连接的方式，来确保数据的送 达。

2.2 概念

所谓三次握手是指建立一个 TCP 连接时需要客户端和服务器端总共发送三个包以确认连接的建立。在socket编程中，这一过程由客户端执行connect来触发。

2.3 三次握手的流程图

2.4 流程图的解释

• 第一次握手：客户端将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给服务器端，客户端进入SYN_SENT状态，等待服务器端确认。
• 第二次握手：服务器端收到数据包后由标志位SYN=1知道客户端请求建立连接，服务器端将标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给客户端以确认连接请求，服务器端进入SYN_RCVD状态。
• 第三次握手：客户端收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给服务器端，服务器端检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，客户端和服务器端进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后客户端与服务器端之间可以开始传输数据了。

2.5 安全隐患

2.5.1 首次握手 —— SYN 超时

在 Server 收到 Client 的 SYN 之后，回复 SYN-ACK 的时候未收到 ACK 确认，导致服务端不断重试，直到超时。

2.5.2 SYN Flood 攻击

恶意程序会在短时间对服务器不断发起建立连接请求，但不响应服务器请求，导致服务器不断重发，占用资源，导致崩溃。

2.5.3 应对 SYN Flood 攻击的方式

• SYN 队列满后，通过 tcp_syncookies 参数回发 SYN Cookie
• 若为正常连接，则 Client 会回发 SYN Cookie，建立连接

2.6 建立连接后，Client 故障

2.6.1 保活机制

向 Client 发送探测报文，如果未收到响应则继续发送，直到收到响应或达到保活探测数时，中断连接。

3. 四次挥手

3.1 原因

由于TCP连接是全双工的，因此，每个方向都必须要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN。

3.2 概念

四次挥手即终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。在socket编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发。

3.3 四次挥手流程图

3.4 为什么客户端发送完最后一个 ACK 包之后还需要 TIME-WAIT

• 确保有足够的时间让对方接收到 ACK 包
• 避免新旧连接混淆

3.5 服务器出现大量 CLOSE-WAIT 状态的原因

客户端关闭 socket 连接，服务端忙于处理读或写，没有及时关闭连接

• 检查代码，特别是资源释放代码
• 检查配置，特别是处理请求的线程配置

4. TCP 滑动窗口

4.0 必知必会

RTT

发送数据包到收到对应的 ACK，中间所花费的时间

RTO

重传时间间隔（经过 RTT 计算得到）

4.1 滑动窗口的作用

TCP 使用滑动窗口做流量控制和乱序重排