TCP专题

一、TCP的连接建立

1、什么是面向连接

TCP属于面向连接：在发送数据之前，需要建立点到点的连接。

TCP的四元组：源ip，目标ip，源端口，目标端口。可以唯一的区分和标识一条TCP的连接。

TCP和UDP的差异：
TCP：一对一；BGP（看重传输的可靠性）使用的是TCP协议。
UDP：一对多；RIP，OSPF都是使用的UDP协议。

连接：指的是逻辑层面的连接，本质是初始参数的约定。

2、TCP的报文结构

首部长度：标识TCP报文头部的长度，因为存在选项字段，所以是可变长头部，最短是20个字节。

URG：紧急标记位，应用层定义，为1，则启用紧急指针。

ACK：确认标记位。为1，Acknumber=1+上一个报文的字节长度 ，则启用确认序列号字段。

PSH：推送标记位。为1，表示该报文不放入缓存空间，直接推送至进程。

RST：重置标记位。为1，表示强制断开TCP连接，不用四次挥手。

SYN：同步标记位。为1，表示请求建立连接，通常在三次握手的前两次用到。

FIN： 止标记位。为1，表示正常断开TCP连接，需要四次挥手。

窗口大小：进行流量控制，保障可靠性。

校验和：伪头部校验，校验自己的头部内容兼带数据内容，还会校验IP头部的部分字节（12个字节：32位源IP 32位目标ip 8位的保留 8位的协议号 16位的报文长度）。

序列号：TCP是基于字节流传输的协议，这个序列号就是字节流的编号。

3、TCP的三次握手

第一次握手：客户端向服务端发送请求，SYN置1，携带客户端生成seq序列号。

第二次握手：服务端向客户端回报，SYN和ACK置1，携带服务端生成的seq序列号和ack确认序列号。

第三次握手：客户端向服务端回报，携带ack确认序列号。

思考1：为什么不能使用固定的序列号？

• 保证接收端数据有序接收；

• 可以根据序号判断是否以前接收过该数据，用于去除重复；

• 判断数据的合法性；

• 序号机制结合 ACK 可以完成数据重传。

思考2：为什么序列号不从0开始？

防止黑客知道序列号后伪造数据包制造攻击

4、TCP的建立状态

客户端：

1. 关闭状态：在发送SYN请求建立连接之后，进入到下一个状态；
2. SYN_SENT：等待服务器返回的SYN-ACK报文，收到后进入下一个状态；
3. 建立完成状态：此时客户端指向服务器的会话已经建立，所以客户端发送给服务器的最后一个ACK报文是允许携带数据的。 

服务器：

1. 关闭状态：当服务器应用创建一个监听的套接字之后，将进入下一个状态；
2. 侦听状态：当接收到客户端发送的SYN报文之后，为TCP连接分配缓存空间，同时发送SYN-ACK报文，进入到下一个状态；
3. SYN_RCVD：等待客户端返回的ACK报文，收到后进入下一个状态；
4. 建立完成状态：TCP双向会话均建立完成。

在第一次握手时，若服务器没有开启listen侦听，在收到SYN报文时，会将回复报文的RST位置1，拒绝建立连接。

5、SYN泛洪攻击

SYN泛洪攻击属于DOS攻击的一种，攻击者通过伪造大量的源IP地址，向服务器发送大量的SYN包，分配缓存空间，而服务器回复SYN-ACK报文后，由于源 IP 虚假无法收到 ACK 包，致使连接资源被半开放连接占满，从而无法给正常用户提供服务。

防御方式：

①：防火墙代理

防火墙代理服务，并设置每目标IP代理阈值和每目标IP丢弃阈值。一开始，客户端正常访问服务器，达到代理阈值后，防火墙开始代理服务；达到丢弃阈值后，防火墙直接把数据包丢弃。 

②：SYNcookie

服务器在收到SYN数据包后不会分配缓存空间，而是将（四元组+一个随机数）提取出来做一个hash运算，将生成的摘要值（SYNcookie）作为序列号回复给客户端，同时保存摘要值+1的数值，在进行一次hash，检验结果是否与客户端返回的Ack报文是否一致。

6、TCP建立连接为什么必须是三次握手（为什么不是四次或者两次）

三次握手相较于四次握手节省资源资源。

三次握手相较于二次握手，能够解决新旧连接造成资源混乱的问题。

二、TCP的断开连接

1、四次挥手

客户端和服务器都能主动断开连接，这里以客户端作为示例。

1. 当数据快发送完时，客户端发起FIN报文时，将最后一点数据合并在FIN包中；
2. 服务器回复ACK报文时，断开的是客户端指向服务器的单方面会话，此时，客户端不能给服务器发送数据，而服务器可以继续发送剩下的数据；
3. 等待服务器将数据全部发送完后，再继续发送FIN报文，该报文也可以携带最后一段数据；
4. 客户端回复ACK报文后，双方连接彻底断开。

2、TCP的断开状态

客户端和服务器都可以先请求断开连接，谁先请求为客户端。

客户端：

①：建立完成状态：发送完所有的字节流，携带最后一组字节流的数据同时将FIN标记位置1，之后，进入到下一个状态。

②：FIN_WAIT_1：等待服务器回复ACK，收到ACK应答后，进入到下一个状态。

③：FIN_WAIT_2：等待服务器发送FIN断开请求，将回复ACK进行确认，进入下一个状态。

④:TIME_WAIT：等待2MSL时间后进入到下一个状态。

⑤：CLOSE：关闭状态，断开TCP连接，释放所有TCP连接占用的资源。

服务器：

①：建立完成状态：收到客户端发送的FIN断开请求后，服务器将回复一个ACK确认报文，进入到下一个状态。
②：CLOSED_WAIT：等待服务器自身数据的发送，当自身所有数据传递完毕后，发送FIN断开请求，进入下一个状态。
③：LAST_ACK：等待客户端进行最后的ACK应答，当收到客户端发送的ACK确认报文之后，进入到下一个状态。
④：关闭状态：断开TCP连接，释放所有TCP连接占用的资源。

3、为什么要求TIME_WAIT状态

保证TCP会话可以正常关闭

4、TIME_WAIT为什么是2MSL

MSL：报文最大生存时间

原因：

1.最后一个ACK报文丢失的情况下，能够等到对方重传，一来一回正好两个MSL时间，可以保证TCP会话正常断开。

2.设置2MSL，足以让两个方向上的报文都丢弃，再出现新的连接时，不至于被历史报文造成数据错乱。

3、时间太长导致资源浪费。

5、为什么TCP挥手是四次

在服务器收到FIN报文时，可能还存在未发送完的数据，因此只回复了ACK报文，等待剩余的数据发送完毕则发送FIN报文断开连接。四次挥手过程是理论上的形式，实际情况中，存在三次挥手，即服务器正好发完了数据，将直接回复ACK-FIN报文。

三、TCP的可靠性传输

1、排序机制

分段：TCP是一款基于字节流的协议。

MSS：最大段长度，TCP在建立三次握手时前两个SYN报文中，携带有该参数，并且双方的该参数允许不同，如果不同则按照数值小的执行（MTU为默认值时，MSS的最大值为1500-网络层的头部20-传输层的头部20=1460字节）。

分片：网络层的IP协议执行，当数据包过大时，将数据包进行分片传输。

MTU：最大传输单元，默认值是1500字节。

排序机制是基于序列号来完成的，过程如下图：

2、确认机制

TCP为了保证对方能够收到本端发送的数据段的方法，是让对方回复一个确认报文段。实际上确认序列号ack是期望收到的下一个seq序列号。

3、超时重传

超时重传：本端在一定时间内，没有收到对端反馈的确认报文而触发的重传机制。

RTO：超时重传时间。

RTT：往返时间，指的是发出端将数据发出后，到他接收到对端返回的确认报文之后的着一段时间。

RTO过长：丢包之后，重传的效率降低，无法及时做出响应。

RTO过短：丢包之后，导致大量不必要的重传，导致网络负荷加大。

RTO值在计算时，需要略大于RTT，因为RTT是一个可变化的值，所以RTO也是一共动态变化的值。

超时间隔加倍 ：每次发送重传报文之后，会将RTO设为上一次RTO的两倍时间。

4、快速重传

接收方收到一个数据段中的序列号大于自己期望的序列号，称为失序报文。

通过冗余ACK（Duplicate ACK），将缺失的报文段连续发送三遍，这时发送方收到后触发快速重传机制，将seq=200的报文重新发送。

5、SACK（选择确认机制）

在快速重传机制中，接受方在回复冗余ACK时，里面将携带自身已经接收到的数据信息，避免重复发送造成资源浪费。

6、三次握手的可靠性保障

7、四次挥手的可靠性保障

四、TCP的流量控制

五、TCP的拥塞控制