• TCP协议(一)之协议简述


    完成三次握手,客户端与服务器开始传送数据

    A与B建立TCP连接时:首先A向B发SYN(同步请求),然后B回复SYN+ACK(同步请求应答),最后A回复ACK确认,这样TCP的一次连接(三次握手)的过程就建立了!

    一、TCP报文格式

            TCP/IP协议的详细信息参看《TCP/IP协议详解》三卷本。下面是TCP报文格式图:


    图1 TCP报文格式

            上图中有几个字段需要重点介绍下:
            (1)序号:Seq序号,占32位,用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流,发起方发送数据时对此进行标记。
            (2)确认序号:Ack序号,占32位,只有ACK标志位为1时,确认序号字段才有效,Ack=Seq+1。
            (3)标志位:共6个,即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等,具体含义如下:
                    (A)URG:紧急指针(urgent pointer)有效。
                    (B)ACK:确认序号有效。
                    (C)PSH:接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
                    (D)RST:重置连接。
                    (E)SYN:发起一个新连接。
                    (F)FIN:释放一个连接。

            需要注意的是:
                    (A)不要将确认序号Ack与标志位中的ACK搞混了。
                    (B)确认方Ack=发起方Req+1,两端配对。 

    二、三次握手
            所谓三次握手(Three-Way Handshake)即建立TCP连接,就是指建立一个TCP连接时,需要客户端和服务端总共发送3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,整个流程如下图所示:


    图2 TCP三次握手

            (1)第一次握手:Client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收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接,Server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Server,Server检查ack是否为K+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。
            
            SYN攻击:
                    在三次握手过程中,Server发送SYN-ACK之后,收到Client的ACK之前的TCP连接称为半连接(half-open connect),此时Server处于SYN_RCVD状态,当收到ACK后,Server转入ESTABLISHED状态。SYN攻击就是Client在短时间内伪造大量不存在的IP地址,并向Server不断地发送SYN包,Server回复确认包,并等待Client的确认,由于源地址是不存在的,因此,Server需要不断重发直至超时,这些伪造的SYN包将产时间占用未连接队列,导致正常的SYN请求因为队列满而被丢弃,从而引起网络堵塞甚至系统瘫痪。SYN攻击时一种典型的DDOS攻击,检测SYN攻击的方式非常简单,即当Server上有大量半连接状态且源IP地址是随机的,则可以断定遭到SYN攻击了,使用如下命令可以让之现行:
                    #netstat -nap | grep SYN_RECV

    三、四次挥手
             三次握手耳熟能详,四次挥手估计就,所谓四次挥手(Four-Way Wavehand)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,整个流程如下图所示:


    图3 TCP四次挥手

            由于TCP连接时全双工的,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。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方则执行被动关闭,上图描述的即是如此。
            (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,确认序号为收到序号+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,确认序号为收到序号+1,Server进入CLOSED状态,完成四次挥手。
            上面是一方主动关闭,另一方被动关闭的情况,实际中还会出现同时发起主动关闭的情况,具体流程如下图:


    图4 同时挥手

            流程和状态在上图中已经很明了了,在此不再赘述,可以参考前面的四次挥手解析步骤。

    四、附注
            关于三次握手与四次挥手通常都会有典型的面试题,在此提出供有需求的XDJM们参考:
            (1)三次握手是什么或者流程?四次握手呢?答案前面分析就是。
            (2)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。

    五、常见面试题

    TCP协议和UDP协议的区别是什么
    TCP协议是有连接的,有连接的意思是开始传输实际数据之前TCP的客户端和服务器端必须通过三次握手建立连接,会话结束之后也要结束连接。而UDP是无连接的
    TCP协议保证数据按序发送,按序到达,提供超时重传来保证可靠性,但是UDP不保证按序到达,甚至不保证到达,只是努力交付,即便是按序发送的序列,也不保证按序送到。
    TCP协议所需资源多,TCP首部需20个字节(不算可选项),UDP首部字段只需8个字节。
    TCP有流量控制和拥塞控制,UDP没有,网络拥堵不会影响发送端的发送速率
    TCP是一对一的连接,而UDP则可以支持一对一,多对多,一对多的通信。
    TCP面向的是字节流的服务,UDP面向的是报文的服务。
    TCP介绍和UDP介绍
    请详细介绍一下TCP协议建立连接和终止连接的过程?
    助于理解的一段话
    两幅图(来源):
    建立连接:三次握手

    关闭连接:四次挥手

    三次握手建立连接时,发送方再次发送确认的必要性?
    主 要是为了防止已失效的连接请求报文段突然又传到了B,因而产生错误。假定出现一种异常情况,即A发出的第一个连接请求报文段并没有丢失,而是在某些网络结 点长时间滞留了,一直延迟到连接释放以后的某个时间才到达B,本来这是一个早已失效的报文段。但B收到此失效的连接请求报文段后,就误认为是A又发出一次 新的连接请求,于是就向A发出确认报文段,同意建立连接。假定不采用三次握手,那么只要B发出确认,新的连接就建立了,这样一直等待A发来数据,B的许多 资源就这样白白浪费了。
    四次挥手释放连接时,等待2MSL的意义?
    第 一,为了保证A发送的最有一个ACK报文段能够到达B。这个ACK报文段有可能丢失,因而使处在LAST-ACK状态的B收不到对已发送的FIN和ACK 报文段的确认。B会超时重传这个FIN和ACK报文段,而A就能在2MSL时间内收到这个重传的ACK+FIN报文段。接着A重传一次确认。
    第二,就是防止上面提到的已失效的连接请求报文段出现在本连接中,A在发送完最有一个ACK报文段后,再经过2MSL,就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。
     

    常见的应用中有哪些是应用TCP协议的,哪些又是应用UDP协议的,为什么它们被如此设计?
    以下应用一般或必须用udp实现?
    多播的信息一定要用udp实现,因为tcp只支持一对一通信。
    如果一个应用场景中大多是简短的信息,适合用udp实现,因为udp是基于报文段的,它直接对上层应用的数据封装成报文段,然后丢在网络中,如果信息量太大,会在链路层中被分片,影响传输效率。
    如果一个应用场景重性能甚于重完整性和安全性,那么适合于udp,比如多媒体应用,缺一两帧不影响用户体验,但是需要流媒体到达的速度快,因此比较适合用udp
    如果要求快速响应,那么udp听起来比较合适
    如果又要利用udp的快速响应优点,又想可靠传输,那么只能考上层应用自己制定规则了。
    常见的使用udp的例子:ICQ,QQ的聊天模块。
    以qq为例的一个说明(转载自知乎)
    登陆采用TCP协议和HTTP协议,你和好友之间发送消息,主要采用UDP协议,内网传文件采用了P2P技术。总来的说: 
    1.登陆过程,客户端client 采用TCP协议向服务器server发送信息,HTTP协议下载信息。登陆之后,会有一个TCP连接来保持在线状态。 
    2.和好友发消息,客户端client采用UDP协议,但是需要通过服务器转发。腾讯为了确保传输消息的可靠,采用上层协议来保证可靠传输。如果消息发送失败,客户端会提示消息发送失败,并可重新发送。 
    3.如果是在内网里面的两个客户端传文件,QQ采用的是P2P技术,不需要服务器中转。

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