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TCP 协议详解

为什么会有 TCP/IP 协议

在世界上各地,各种各样的电脑运行着各自不同的操作系统为大家服务,这些电脑在表达同一种信息的时候所使用的方法是千差万别。就好像圣经中上帝打乱了各地人的口音,让他们无法合作一样。计算机使用者意识到,计算机只是单兵作战并不会发挥太大的作用。只有把它们联合起来,电脑才会发挥出它最大的潜力。于是人们就想方设法的用电线把电脑连接到了一起。

但是简单的连到一起是远远不够的,就好像语言不同的两个人互相见了面,完全不能交流信息。因而他们需要定义一些共通的东西来进行交流,TCP/IP就是为此而生。TCP/IP不是一个协议,而是一个协议族的统称。里面包括了IP协议,IMCP协议,TCP协议,以及我们更加熟悉的http、ftp、pop3协议等等。电脑有了这些,就好像学会了外语一样,就可以和其他的计算机终端做自由的交流了。

TCP/IP协议分层

tcp1

TCP/IP 协议族按照层次由上到下,层层包装。

应用层:
向用户提供一组常用的应用程序,比如电子邮件、文件传输访问、远程登录等。远程登录TELNET使用TELNET协议提供在网络其它主机上注册的接口。TELNET会话提供了基于字符的虚拟终端。文件传输访问FTP使用FTP协议来提供网络内机器间的文件拷贝功能。

传输层:
提供应用程序间的通信。其功能包括:一、格式化信息流;二、提供可靠传输。为实现后者,传输层协议规定接收端必须发回确认,并且假如分组丢失,必须重新发送。

网络层
负责相邻计算机之间的通信。其功能包括三方面。
一、处理来自传输层的分组发送请求,收到请求后,将分组装入IP数据报,填充报头,选择去往信宿机的路径,然后将数据报发往适当的网络接口。

二、处理输入数据报:首先检查其合法性,然后进行寻径—假如该数据报已到达信宿机,则去掉报头,将剩下部分交给适当的传输协议;假如该数据报尚未到达信宿,则转发该数据报。

三、处理路径、流控、拥塞等问题。

网络接口层
这是TCP/IP软件的最低层,负责接收IP数据报并通过网络发送之,或者从网络上接收物理帧,抽出IP数据报,交给IP层。

IP 是无连接的

IP 用于计算机之间的通信。

IP 是无连接的通信协议。它不会占用两个正在通信的计算机之间的通信线路。这样,IP 就降低了对网络线路的需求。每条线可以同时满足许多不同的计算机之间的通信需要。

通过 IP,消息(或者其他数据)被分割为小的独立的包,并通过因特网在计算机之间传送。

IP 负责将每个包路由至它的目的地。

IP 地址

每个计算机必须有一个 IP 地址才能够连入因特网。

每个 IP 包必须有一个地址才能够发送到另一台计算机。

网络上每一个节点都必须有一个独立的Internet地址(也叫做IP地址)。现在,通常使用的IP地址是一个32bit的数字,也就是我们常说的IPv4标准,这32bit的数字分成四组,也就是常见的255.255.255.255的样式。IPv4标准上,地址被分为五类,我们常用的是B类地址。具体的分类请参考其他文档。需要注意的是IP地址是网络号+主机号的组合,这非常重要。

CP/IP 使用 32 个比特来编址。一个计算机字节是 8 比特。所以 TCP/IP 使用了 4 个字节。
一个计算机字节可以包含 256 个不同的值:
00000000、00000001、00000010、00000011、00000100、00000101、00000110、00000111、00001000 ……. 直到 11111111。
现在,你知道了为什么 TCP/IP 地址是介于 0 到 255 之间的 4 个数字。

TCP 使用固定的连接

TCP 用于应用程序之间的通信。

当应用程序希望通过 TCP 与另一个应用程序通信时,它会发送一个通信请求。这个请求必须被送到一个确切的地址。在双方“握手”之后,TCP 将在两个应用程序之间建立一个全双工 (full-duplex) 的通信。

这个全双工的通信将占用两个计算机之间的通信线路,直到它被一方或双方关闭为止。

UDP 和 TCP 很相似,但是更简单,同时可靠性低于 TCP。

IP 路由器

当一个 IP 包从一台计算机被发送,它会到达一个 IP 路由器。

IP 路由器负责将这个包路由至它的目的地,直接地或者通过其他的路由器。

在一个相同的通信中,一个包所经由的路径可能会和其他的包不同。而路由器负责根据通信量、网络中的错误或者其他参数来进行正确地寻址。

域名

12 个阿拉伯数字很难记忆。使用一个名称更容易。

用于 TCP/IP 地址的名字被称为域名。w3school.com.cn 就是一个域名。

当你键入一个像 http://www.w3school.com.cn 这样的域名,域名会被一种 DNS 程序翻译为数字。

在全世界,数量庞大的 DNS 服务器被连入因特网。DNS 服务器负责将域名翻译为 TCP/IP 地址,同时负责使用新的域名信息更新彼此的系统。

当一个新的域名连同其 TCP/IP 地址一同注册后,全世界的 DNS 服务器都会对此信息进行更新。

TCP/IP

TCP/IP 意味着 TCP 和 IP 在一起协同工作。

TCP 负责应用软件(比如你的浏览器)和网络软件之间的通信。

IP 负责计算机之间的通信。

TCP 负责将数据分割并装入 IP 包,然后在它们到达的时候重新组合它们。

IP 负责将包发送至接收者。

TCP报文格式

tcp2

16位源端口号:16位的源端口中包含初始化通信的端口。源端口和源IP地址的作用是标识报文的返回地址。

16位目的端口号: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。

32位序号: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(Initial Sequence Number,ISN),而第一个数据字节是ISN+1。这个序列号(序列码)可用来补偿传输中的不一致。

32位确认序号: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。

4位首部长度:4位包括TCP头大小,指示何处数据开始。

保留(6位):6位值域,这些位必须是0。为了将来定义新的用途而保留。

标志: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。

16位窗口大小:用来表示想收到的每个TCP数据段的大小。TCP的流量控制由连接的每一端通过声明的窗口大小来提供。窗口大小为字节数,起始于确认序号字段指明的值,这个值是接收端正期望接收的字节。窗口大小是一个16字节字段,因而窗口大小最大为65535字节。

16位校验和: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。检验和覆盖了整个的TCP报文段:这是一个强制性的字段,一定是由发送端计算和存储,并由接收端进行验证的。

16位紧急指针: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:长度不定,但长度必须为1个字节。如果没有选项就表示这个1字节的域等于0。

数据:该TCP协议包负载的数据。

在上述字段中,6位标志域的各个选项功能如下。

URG:紧急标志。紧急标志为”1”表明该位有效。

ACK:确认标志。表明确认编号栏有效。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)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,而是尽可能快地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。用于复位相应的TCP连接。

SYN:同步标志。表明同步序列编号栏有效。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。在TCP报头中的序列编号栏包括了TCP分段中第一个字节的序列编号。

FIN:结束标志。

TCP 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:

tcp3

(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。

简单来说,就是

1、建立连接时,客户端发送SYN包(SYN=i)到服务器,并进入到SYN-SEND状态,等待服务器确认

2、服务器收到SYN包,必须确认客户的SYN(ack=i+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

3、客户端收到服务器的SYN+ACK包,向服务器发送确认报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,客户端与服务器开始传送数据。

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:

  1. #netstat -nap | grep SYN_RECV

TCP四次挥手

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:

tcp4

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。

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?

原因有二:
一、保证TCP协议的全双工连接能够可靠关闭
二、保证这次连接的重复数据段从网络中消失

先说第一点,如果Client直接CLOSED了,那么由于IP协议的不可靠性或者是其它网络原因,导致Server没有收到Client最后回复的ACK。那么Server就会在超时之后继续发送FIN,此时由于Client已经CLOSED了,就找不到与重发的FIN对应的连接,最后Server就会收到RST而不是ACK,Server就会以为是连接错误把问题报告给高层。这样的情况虽然不会造成数据丢失,但是却导致TCP协议不符合可靠连接的要求。所以,Client不是直接进入CLOSED,而是要保持TIME_WAIT,当再次收到FIN的时候,能够保证对方收到ACK,最后正确的关闭连接。

再说第二点,如果Client直接CLOSED,然后又再向Server发起一个新连接,我们不能保证这个新连接与刚关闭的连接的端口号是不同的。也就是说有可能新连接和老连接的端口号是相同的。一般来说不会发生什么问题,但是还是有特殊情况出现:假设新连接和已经关闭的老连接端口号是一样的,如果前一次连接的某些数据仍然滞留在网络中,这些延迟数据在建立新连接之后才到达Server,由于新连接和老连接的端口号是一样的,又因为TCP协议判断不同连接的依据是socket pair,于是,TCP协议就认为那个延迟的数据是属于新连接的,这样就和真正的新连接的数据包发生混淆了。所以TCP连接还要在TIME_WAIT状态等待2倍MSL,这样可以保证本次连接的所有数据都从网络中消失。

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