利用tcpdump抓包工具监控TCP连接的三次握手和断开连接的四次挥手

TCP传输控制协议是面向连接的可靠的传输层协议，在进行数据传输之前，需要在传输数据的两端（客户端和服务器端）创建一个连接，这个连接由一对插口地址唯一标识，即是在IP报文首部的源IP地址、目的IP地址，以及TCP数据报首部的源端口地址和目的端口地址。TCP首部结构如下：

其中在TCP连接和断开连接过程中的关键部分如下：

1.源端口号：即发送方的端口号，在TCP连接过程中，对于客户端，端口号往往由内核分配，无需进程指定；

2.目的端口号：即发送目的的端口号；

3.序号：即为发送的数据段首个字节的序号；

3.确认序号：在收到对方发来的数据报，发送确认时期待对方下一次发送的数据序号；

4.SYN：用于发送连接请求；

5.ACK：确认序号有效；

6.FIN：断开连接。

三次握手

三次握手的过程如下：

step1.  由客户端向服务器端发起连接请求。发送请求标识位SYN置为1，发送序号为一个随机数，这里假设为X；

step2.  服务器端接收到连接请求，将标识位ACK置为1，并将确认序号置为X+1，然后生成一个随机数Y作为发送序号（因为所确认的数据报的确认序号未初始化）；

step3:  客户端对接收到的确认进行确认，将确认序号置为Y+1，然后将发送序号置为X+1（即为接收到的数据报的确认序号）；

这里有几点需要说明一下：

1.为什么是三次握手而不是两次。对于step3的作用，假设一种情况，客户端A想服务器B发送一个连接请求数据报，然后这个数据报在网络中滞留导致其迟到了，虽然迟到了，但是服务器仍然会接收并发回一个确认数据报。但是A却因为久久收不到B的确认而将发送的请求连接失效，等到一段时间后，接到B发送过来的确认，A认为自己现在没有发送连接，而B却一直以为连接成功了，于是一直在等待A的动作，而A将不会有任何的动作了。这会导致服务器资源白白浪费掉了，因此，两次握手是不行的，因此需要再加上一次，对B发过来的确认再进行一次确认，即确认这次连接是有效的，从而建立连接。

2.对于双方，发送序号的初始化为何值。有的系统中是显式的初始化序号是0，但是这种已知的初始化值是非常危险的，因为这会使得一些黑客钻漏洞，发送一些数据报来破坏连接。因此，初始化序号因为取随机数会更好一些，并且是越随机越安全。

下面是一个简单的客户端/服务器端连接程序，在Linux环境下，开启三个终端，在第一个终端输入命令

然后在第二个终端运行服务器端程序：

最后在第三个终端运行客户端程序：

完了之后，我们可以在第一个终端看到抓包的结果，如下：

前三个数据包就是三次握手的三个数据报了。我们逐个分析一下，第一个数据报是由客户端发送到服务器端，随机产生一个序号seq = 830831828。然后第二个数据报是由服务器端发回的确认，随机产生一个序号seq = 2690963443，然后根据接收到的请求数据报将确认序号设置为830831829。然后第三个数据报是有客户端对服务器端确认数据报的确认，可以看出确认序号为2690963444

四次挥手

连接双方在完成数据传输之后就需要断开连接。由于TCP连接是属于全双工的，即连接双方可以在一条TCP连接上互相传输数据，因此在断开时存在一个半关闭状态，即有有一方失去发送数据的能力，却还能接收数据。因此，断开连接需要分为四次。主要过程如下：

主要过程如下：

step1.  主机A向主机B发起断开连接请求，之后主机A进入FIN-WAIT-1状态；

step2.  主机B收到主机A的请求后，向主机A发回确认，然后进入CLOSE-WAIT状态；

step3.  主机A收到B的确认之后，进入FIN-WAIT-2状态，此时便是半关闭状态，即主机A失去发送能力，但是主机B却还能向A发送数据，并且A可以接收数据。此时主机B占主导位置了，如果需要继续关闭则需要主机B来操作了；

step4.  主机B向A发出断开连接请求，然后进入LAST-ACK状态；

step5.  主机A接收到请求后发送确认，进入TIME-WAIT状态，等待2MSL之后进入CLOSED状态，而主机B则在接受到确认后进入CLOSED状态；

这里有几点需要说明：

1.  为何主机A在发送了最后的确认后没有进入CLOSED状态，反而进入了一个2MSL的TIME-WAIT。主要作用有两个：第一，确保主机A最后发送的确认能够到达主机B。如果处于LAST-ACK状态的主机B一直收不到来自主机A的确认，它会重传断开连接请求，然后主机A就可以有足够的时间去再次发送确认。但是这也只能尽最大力量来确保能够正常断开，如果主机A的确认总是在网络中滞留失效，从而超过了2MSL，最后也无法正常断开；第二，如果主机A在发送了确认之后立即进入CLOSED状态。假设之后主机A再次向主机B发送一条连接请求，而这条连接请求比之前的确认报文更早地到达主机B，则会使得主机B以为这条连接请求是在旧的连接中A发出的报文，并不看成是一条新的连接请求了，即使得这个连接请求失效了，增加2MSL的时间可以使得这个失效的连接请求报文作废，这样才不影响下次新的连接请求中出现失效的连接请求。

2.  在下面的抓包实验中，为什么断开连接请求报文只有三个，而不是四个。因为在TCP连接过程中，确认的发送有一个延时（即经受延时的确认），一端在发送确认的时候将等待一段时间，如果自己在这段事件内也有数据要发送，就跟确认一起发送，如果没有，则确认单独发送。而我们的抓包实验中，由服务器端先断开连接，之后客户端在确认的延迟时间内，也有请求断开连接需要发送，于是就与上次确认一起发送，因此就只有三个数据报了。