TCP协议大全
Date: 2017-01-02 10:10:11
TCP协议笔记
上一篇文章已经讲过啦TCP/IP协议族了，大概多TCP协议有了大概的了解。
在网页中HTTP请求获取内容之前是需要先建立TCP连接的，而TCP建立连接需要三次握手，该篇文章将讲解TCP的工作原理。
TCP特性
- TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流服务
- 在一个TCP连接中，仅有两方进行彼此通信。广播和多播不能用于TCP
- TCP使用校验和，确认和重传机制来保证可靠传输
- TCP给数据分节进行排序，并使用累积确认保证数据的顺序不变和非重复
- TCP使用滑动窗口机制来实现流量控制，通过动态改变窗口的大小进行拥塞控制
注意：TCP 并不能保证数据一定会被对方接收到，因为这是不可能的。TCP 能够做到的是，如果有可能，就把数据递送到接收方，否则就（通过放弃重传并且中断连接这一手段）通知用户。因此准确说 TCP 也不是 100% 可靠的协议，它所能提供的是数据的可靠递送或故障的可靠通知。
TCP三次握手连接
所谓三次握手(Three-way Handshake)，是指建立一个 TCP 连接时，需要客户端和服务器总共发送3个包。
三次握手的目的是连接服务器指定端口，建立 TCP 连接，并同步连接双方的序列号和确认号，交换 TCP 窗口大小信息。在 socket 编程中，客户端执行 connect() 时。将触发三次握手。
- 客户端向服务器发送SYN报文（Seq=x， SYN=1），客户端进去SYN_SENT状态
- 服务器收到客户端的请求，向客户端回复一个确认信息（Ack = x + 1）和 一个SYN包（seq=y）建立连接请求，此时服务器进去SYN_RECV状态
- 客户端收到服务器的回复（SYN+ACK报文），向服务器端发送ACK，此包发送完毕后客户端和服务器端进入ESTABLISHED状态。
先看一下TCP的头部
第一次握手
第二次握手
第三次握手
为什么要三次握手而不是二次
重点：主要目的防止server端一直等待，浪费资源
- 三次握手的目的是同步连接双方的序列号和确认号并交换TCP窗口大小信息。
- 两次握手可能因为丢包而出现死锁。
客户端C发送请求，服务端S应答并分配资源（资源：由于不需要再次确认，这个时候服务端就会返回http请求的结果）。
若S的应答没有到达C端，C认为连接未建立，而S认为建立了，S会在一段时间内保留分配的资源
如果大量C这样请求，S会崩溃。
注意：TCP握手之后，服务端接下来是要返回客户端的请求资源哦。如果在两次握手中，客户端不断的请求，就会导致服务端大量资源的量费。
TCP四次挥手断开
- 客户端A发送位码为FIN＝1，用来关闭客户A到服务器B的数据传送。此时A的状态为FIN_WAIT_1
- 服务器B收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1。此时A为FIN_WAIT_2，B为CLOSE_WAIT
- 服务器B关闭与客户端A的连接，发送一个FIN给客户端A。此时A为TIME_WAIT，B为LAST_ACK
- 客户端A发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1。此时A、B都关闭了，状态变为CLOSED。
说明：关闭分为两部分，客户端发器关闭，服务端响应；服务端发器关闭，客户端响应。
注意： 2，3阶段可以一起发送哦，如果2，3阶段一起发送，客户端A直接进入到TIME_WAIT状态，无须进入FIN_WAIT_2。
2，3阶段分别发送的是ACK，FIN，如果服务端还有未传输完毕的数据就单独发送一个ACK应答客户端发送过来的FIN；等待传送完毕再发送一个FIN告诉客户段A服务端B也可以断开连接了。但是如果服务端在接受到客户端A的FIN时，已经传送完毕数据了，那就可以ACK，FIN一起发送了，没必要让客户端A进入FIN_WAIT2等候了。参考文献
图中有个TIME_WAIT是干什么的？
持续时间未2MSL，一个数据包在网络中的最长生存时间为MSL 。 假设最后客户端回复的ACK丢失，服务器端会在超时时间到来时，重传最后一个FIN包。
ACK和FIN在网络中的最长生存时间就为2MSL，这样就可以可靠的断开TCP的双向连接。
MSL是Maximum Segment Lifetime英文的缩写，中文可以译为“报文最大生存时间”，他是任何报文在网络上存在的最长时间，超过这个时间报文将被丢弃。RFC 793中规定MSL为2分钟，实际应用中常用的是30秒，1分钟和2分钟等。
为什么建立连接需要三次握手，而断开连接需要四次握手
为什么需要三次握手？
为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端，因而产生错误。
client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某个网络结点长时间的滞留了，以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。本来这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。于是就向client发出确认报文段，同意建立连接。假设不采用“三次握手”，那么只要server发出确认，新的连接就建立了。由于现在client并没有发出建立连接的请求，因此不会理睬server的确认，也不会向server发送数据。但server却以为新的运输连接已经建立，并一直等待client发来数据。这样，server的很多资源就白白浪费掉了。（和上面的例子差不多，两种不同的场景，都是客户端收不到或者不需要的情况下服务端还发送资源）
为什么需要四次连接断开？
因为客户端和服务端都需要一个FIN和ACK，当客户端发送了FIN包之后，处于半关闭状态，此时仍然可以接收数据包。
在断开连接时，如果服务端收到FIN包，但此时仍有数据未发送完，此时就需要先向客户端回复ACK，告诉客户端我已经收到你的请求了。等到将剩下的数据都发送完之后，再向客户端发送FIN，断开发送方向的连接，因此很多时候FIN和ACK需要在两个数据包中发送，因此需要四次握手。
超时重传和快速重传
超时重传：当超时时间到达时，发送方还未收到对端的ACK确认，就重传该数据包。
快速重传：当后面的序号先到达，如接收方接收到了1、 3、 4，而2没有收到，接收方就会立即向发送方重复发送三次ACK=2的确认请求重传。如果发送方连续收到3个相同序号的ACK，就重传该数据包，而不用等待超时。
TCP之SYN攻击
在三次握手过程中，服务器发送 SYN-ACK 之后，收到客户端的 ACK 之前的 TCP 连接称为半连接(half-open connect)。此时服务器处于 SYN_RCVD 状态。当收到 ACK 后，服务器才能转入 ESTABLISHED 状态.
SYN 攻击指的是，攻击客户端在短时间内伪造大量不存在的IP地址，向服务器不断地发送SYN包，服务器回复确认包，并等待客户的确认。由于源地址是不存在的，服务器需要不断的重发直至超时，这些伪造的SYN包将长时间占用未连接队列，正常的SYN请求被丢弃，导致目标系统运行缓慢，严重者会引起网络堵塞甚至系统瘫痪。SYN 攻击是一种典型的 DoS/DDoS 攻击。
在 Linux/Unix 上可以使用系统自带的 netstats 命令来检测 SYN 攻击。
防范措施：
1、降低SYN timeout时间，使得主机尽快释放半连接的占用
2、采用SYN cookie设置，如果短时间内连续收到某个IP的重复SYN请求，则认为受到了该IP的攻击，丢弃来自该IP的后续请求报文
3、在网关处设置过滤，拒绝将一个源IP地址不属于其来源子网的包进行更远的路由
TCP与UDP的区别
- TCP是有连接的，两台主机在进行数据交互之前必须先通过三次握手建立连接；而UDP是无连接的，没有建立连接这个过程
- TCP是可靠的传输，TCP协议通过确认和重传机制来保证数据传输的可靠性；而UDP是不可靠的传输
- TCP还提供了拥塞控制、滑动窗口等机制来保证传输的质量，而UDP都没有
- TCP是基于字节流的，将数据看做无结构的字节流进行传输，当应用程序交给TCP的数据长度太长，超过MSS时，TCP就会对数据进行分段，因此TCP的数据是无边界的；而UDP是面向报文的，无论应用程序交给UDP层多长的报文，UDP都不会对数据报进行任何拆分等处理，因此UDP保留了应用层数据的边界
基于TCP协议与UDP协议
- TCP： FTP、HTTP、Telnet、SMTP、POP3、HTTPS
- UDP：DNS、SNMP、NFS
TCP窗口滑动以及拥塞控制
TCP协议在工作时，如果发送端的TCP协议软件每传输一个数据分组后，必须等待接收端的确认才能够发送下一个分组，由于网络传输的时延，将有大量时间被用于等待确认，导致传输效率低下。为此TCP在进行数据传输时使用了滑动窗口机制。
TCP滑动窗口用来暂存两台计算机间要传送的数据分组。每台运行TCP协议的计算机有两个滑动窗口：一个用于数据发送，另一个用于数据接收。发送端待发数据分组在缓冲区排队等待送出。被滑动窗口框入的分组，是可以在未收到接收确认的情况下多送出的部分。滑动窗口左端标志X的分组，是已经被接收端确认收到的分组。随着新的确认到来，窗口不断向右滑动。
TCP协议软件依靠滑动窗口机制解决传输效率和流量控制问题。
这部分没法模拟，所以只能复制粘贴。详情查看解说
参考文章
https://hit-alibaba.github.io/interview/basic/network/TCP.html
http://blog.csdn.net/u012658346/article/details/51192944
http://www.cnblogs.com/wulala1119/p/4749892.html
http://blog.csdn.net/longwang155069/article/details/50058779