详解tcp/ip连接建立与释放

最近一段时间参加一些公司的笔试，多次遇到tcp协议关于连接建立与释放方面的题目，虽然能答对一些，但未能回答完整，事后查阅资料总结如下。

在 TCP/IP 协议中，TCP 协议提供可靠的连接服务，采用三次握手建立一个连接。第一次握手：建立连接时，客户端发送 syn 包(syn=j)到服务器，并进入 SYN_SEND 状态，等待服务器确认；第二次握手：服务器收到 syn 包，必须确认客户的 SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个 SYN 包（syn=k），即 SYN+ACK 包，此时服务器进入 SYN_RECV 状态；第三次握手：客户端收到服务器的 SYN＋ACK 包，向服务器发送确认包 ACK(ack=k+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入 ESTABLISHED 状态，完成三次握手。完成三次握手，客户端与服务器开始传送数据，在上述过程中，还有一些重要的概念：未连接队列：在三次握手协议中，服务器维护一个未连接队列，该队列为每个客户端的 SYN 包（syn=j）开设一个条目，该条目表明服务器已收到 SYN 包，并向客户发出确认，正在等待客户的确认包。这些条目所标识的连接在服务器处于 Syn_RECV 状态，当服务器收到客户的确认包时，删除该条目，服务器进入 ESTABLISHED 状态。 Backlog 参数：表示未连接队列的最大容纳数目。 SYN-ACK 重传次数服务器发送完 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。半连接存活时间：是指半连接队列的条目存活的最长时间，也即服务从收到 SYN 包到确认这个报文无效的最长时间，该时间值是所有重传请求包的最长等待时间总和。有时我们也称半连接存活时间为 Timeout 时间、SYN_RECV 存活时间。
也称作TCP传输控制协议，Transport Control Protocol。可靠的主机到主机层协议。这里要先强调一下，传输控制协议是 OSI 网络的第四层的叫法，TCP 传输控制协议是 TCP/IP 传输的 6 个基本协议的一种。两个TCP意思非相同。TCP 是一种可靠的面向连接的传送服务。它在传送数据时是分段进行的，主机交换数据必须建立一个会话。它用比特流通信，即数据被作为无结构的字节流。通过每个TCP传输的字段指定顺序号，以获得可靠性。是在 OSI 参考模型中的第四层，TCP是使用IP的网间互联功能而提供可靠的数据传输，IP不停的把报文放到网络上，而TCP是负责确信报文到达。在协同IP的操作中 TCP 负责：握手过程、报文管理、流量控制、错误检测和处理（控制），可以根据一定的编号顺序对非正常顺序的报文给予从新排列顺序。关于TCP的RFC文档有 RFC793、RFC791、RFC1700。在TCP会话初期，有所谓的“三握手”：对每次发送的数据量是怎样跟踪进行协商使数据段的发送和接收同步，根据所接收到的数据量而确定的数据确认数及数据发送、接收完毕后何时撤消联系，并建立虚连接。为了提供可靠的传送，TCP在发送新的数据之前，以特定的顺序将数据包的序号，并需要这些包传送给目标机之后的确认消息。 TCP 总是用来发送大批量的数据。当应用程序在收到数据后要做出确认时也要用到 TCP。由于TCP需要时刻跟踪，这需要额外开销，使得TCP的格式有些显得复杂。下面就让我们看一个TCP的经典案例，这是后来被称为MITNICK攻击中KEVIN开创了两种攻击技术：TCP会话劫持SYN FLOOD（同步洪流）在这里我们讨论的时TCP会话劫持的问题。先让我们明白 TCP 建立连接的基本简单的过程。为了建设一个小型的模仿环境我们假设有3台接入互联网的机器。A为攻击者操纵的攻击机。B 为中介跳板机器（受信任的服务器）。C为受害者使用的机器（多是服务器），这里把C机器锁定为目标机器。A机器向B机器发送SYN包，请求建立连接，这时已经响应请求的B机器会向A机器回应 SYN/ACK 表明同意建立连接，A机器接受到B机器发当送的SYN/ACK回应时，发送应答ACK建立A机器与B机器的网络连接。这样一个两台机器之间的TCP通话信道就建立成功了。B终端受信任的服务器向C机器发起TCP连接，A机器对服务器发起SYN信息，使C机器不能响应B机器。在同时A机器也向B机器发送虚假的C机器回应的SYN数据包，接收到 SYN 数据包的B机器（被C机器信任）开始发送应答连接建立的 SYN/ACK数据包，这时C机器正在忙于响应以前发送的SYN数据而无暇回应B机器，而A机器的攻击者预测出B机器包的序列号（现在的TCP序列号预测难度有所加大）假冒C机器向B机器发送应答ACK这时攻击者骗取B机器的信任，假冒C机器与B机器建立起TCP协议的对话连接。这个时候的C机器还是在响应攻击者A机器发送的SYN数据。TCP协议栈的弱点：TCP连接的资源消耗，其中包括：数据包信息、条件状态、序列号等。通过故意不完成建立连接所需要的三次握手过程，造成连接一方的资源耗尽。通过攻击者有意的不完成建立连接所需要的三次握手的全过程，从而造成了C机器的资源耗尽。序列号的可预测性，目标主机应答连接请求时返回的SYN/ACK的序列号时可预测的。（早期 TCP 协议栈，具体的可以参见 1981 年出的关于TCP雏形的RFC793文档）

TCP头结构TCP协议头最少20个字节，包括以下的区域。 TCP 源端口(Source Port)：16 位的源端口其中包含初始化通信的端口。源端口和源 IP 地址的作用是标示报问的返回地址。 TCP 目的端口(Destination port)：16 位的目的端口域定义传输的目的。这个端口指明报文接收计算机上的应用程序地址接口。 TCP 序列号（序列码,Sequence Number）：32位的序列号由接收端计算机使用，重新分段的报文成最初形式。当SYN出现，序列码实际上是初始序列码（ISN），而第一个数据字节是 ISN+1。这个序列号（序列码）是可以补偿传输中的不一致。 TCP 应答号(Acknowledgment Number)：32 位的序列号由接收端计算机使用，重组分段的报文成最初形式。如果设置了 ACK 控制位，这个值表示一个准备接收的包的序列码。数据偏移量(HLEN)：4 位包括 TCP 头大小，指示何处数据开始。保留(Reserved)：6 位值域，这些位必须是 0。为了将来定义新的用途所保留。标志(Code Bits)：6 位标志域。表示为：紧急标志、有意义的应答标志、推、重置连接标志、同步序列号标志、完成发送数据标志。按照顺序排列是：URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN。窗口(Window)：16 位，用来表示想收到的每个 TCP 数据段的大小。校验位(Checksum)：16 位 TCP 头。源机器基于数据内容计算一个数值，收信息机要与源机器数值结果完全一样，从而证明数据的有效性。优先指针（紧急,Urgent Pointer）：16 位，指向后面是优先数据的字节，在 URG 标志设置了时才有效。如果 URG 标志没有被设置，紧急域作为填充。加快处理标示为紧急的数据段。选项(Option)：长度不定，但长度必须以字节。如果没有选项就表示这个一字节的域等于 0。填充：不定长，填充的内容必须为 0，它是为了数学目的而存在。目的是确保空间的可预测性。保证包头的结合和数据的开始处偏移量能够被 32 整除，一般额外的零以保证 TCP 头是 32 位的整数倍。标志控制功能 URG：紧急标志紧急(The urgent pointer) 标志有效。紧急标志置位， ACK：确认标志确认编号(Acknowledgement Number)栏有效。大多数情况下该标志位是置位的。 TCP 报头内的确认编号栏内包含的确认编号(w+1，Figure：1)为下一个预期的序列编号，同时提示远端系统已经成功接收所有数据。 PSH：推标志该标志置位时，接收端不将该数据进行队列处理，而是尽可能快将数据转由应用处理。在处理 telnet 或 rlogin 等交互模式的连接时，该标志总是置位的。 RST：复位标志复位标志有效。用于复位相应的 TCP 连接。 SYN：同步标志同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers)栏有效。该标志仅在三次握手建立 TCP 连接时有效。它提示 TCP 连接的服务端检查序列编号，该序列编号为 TCP 连接初始端(一般是客户端)的初始序列编号。在这里，可以把 TCP 序列编号看作是一个范围从 0 到 4，294，967，295 的 32 位计数器。通过 TCP 连接交换的数据中每一个字节都经过序列编号。 TCP 报头中的序列编号栏包括了 TCP 分段中第在一个字节的序列编号。 FIN：结束标志带有该标志置位的数据包用来结束一个 TCP 回话，但对应端口仍处于开放状态，准备接收后续数据。服务端处于监听状态，客户端用于建立连接请求的数据包(IP packet)按照 TCP/IP 协议堆栈组合成为 TCP 处理的分段(segment)。分析报头信息： TCP 层接收到相应的 TCP 和 IP 报头，将这些信息存储到内存中。检查 TCP 校验和(checksum)：标准的校验和位于分段之中(Figure：2)。如果检验失败，不返回确认，该分段丢弃，并等待客户端进行重传。查找协议控制块(PCB)：TCP 查找与该连接相关联的协议控制块。如果没有找到，TCP 将该分段丢弃并返回 RST。(这就是 TCP 处理没有端口监听情况下的机制) 如果该协议控制块存在，但状态为关闭，服务端不调用 connect()或 listen()。该分段丢弃，但不返回 RST。客户端会尝试重新建立连接请求。建立新的 socket：当处于监听状态的 socket 收到该分段时，会建立一个子 socket，同时还有 socket()，tcpcb()和pub()建立。这时如果有错误发生，会通过标志位来拆除相应的socket和释放内存，TCP 连接失败。如果缓存队列处于填满状态，TCP 认为有错误发生，所有的后续连接请求会被拒绝。这里可以看出 SYN Flood 攻击是如何起作用的。丢弃：如果该分段中的标志为 RST 或 ACK，或者没有 SYN 标志，则该分段丢弃。并释放相应的内存。

TCP连接过程中各种状态的意义：LISTEN（监听来自远方 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）。TCP连接过程是状态的转换，促使发生状态转换的是用户调用：OPEN，SEND，RECEIVE，CLOSE，ABORT 和 STATUS。

序列号请注意，我们在TCP连接中发送的字节都有一个序列号。因为编了号，所以可以确认它们的收到。对序列号的确认是累积性的。TCP 必须进行的序列号比较操作种类包括以下几种：①决定一些发送了的但未确认的序列号。②决定所有的序列号都已经收到了。③决定下一个段中应该包括的序列号。对于发送的数据 TCP 要接收确认，确认时必须进行的： SND.UNA = 最老的确认了的序列号。 SND.NXT = 下一个要发送的序列号。 SEG.ACK = 接收 TCP 的确认，接收 TCP 期待的下一个序列号。 SEG.SEQ = 一个数据段的第一个序列号。 SEG.LEN = 数据段中包括的字节数。 SEG.SEQ+SEG.LEN-1 = 数据段的最后一个序列号。如果一个数据段的序列号小于等于确认号的值，那么整个数据段就被确认了。而在接收数据时下面的比较操作是必须的：RCV.NXT = 期待的序列号和接收窗口的最低沿。 RCV.NXT+RCV.WND：1 = 最后一个序列号和接收窗口的最高沿。SEG.SEQ = 接收到的第一个序列号。 SEG.SEQ+SEG.LEN:1=接收到的最后一个序列号。

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