TCP 状态机

TCP 状态机

 TCP 协议的操作可以使用一个具有 11 种状态的有限状态机(Finite State Machine )来表示,图 3-12 描述了 TCP 的有限状态机,图中的圆角矩形表示状态,箭头表示状态之间的转换,各状态的描述如表 3-2 所示。图中用粗线表示客户端主动和被动的服务器端建立连接的正常过程:客户端的状态变迁用粗实线,服务器端的状态变迁用粗虚线。细线用于不常见的序列,如复位、同时打开、同时关闭等。图中的每条状态变换线上均标有“事件/动作”:事件是指用户执行了系统调用(CONNECT 、 LISTEN 、 SEND 或 CLOSE)、收到一个报文段( SYN 、 FIN 、 ACK 或 RST )、或者是出现了超过两倍最大的分组生命期的情况;动作是指发送一个报文段( SYN 、 FIN 或 ACK )或什么也没有(用“-”表示)。

每个连接均开始于 CLOSED 状态。当一方执行了被动的连接原语(LISTEN )或主动的连接原语( CONNECT )时,它便会脱离 CLOSED 状态。如果此时另一方执行了相对应的连接原语,连接便建立了,并且状态变为ESTABLISHED 。任何一方均可以首先请求释放连接,当连接被释放后,状态又回到了CLOSED 。

 

表 3-2 TCP 状态表

状 态

描 述

CLOSED

关闭状态,没有连接活动或正在进行

LISTEN

监听状态,服务器正在等待连接进入

SYN RCVD

收到一个连接请求,尚未确认

SYN SENT

已经发出连接请求,等待确认

ESTABLISHED

连接建立,正常数据传输状态

FIN WAIT 1

(主动关闭)已经发送关闭请求,等待确认

FIN WAIT 2

(主动关闭)收到对方关闭确认,等待对方关闭请求

TIMED WAIT

完成双向关闭,等待所有分组死掉

CLOSING

双方同时尝试关闭,等待对方确认

CLOSE WAIT

(被动关闭)收到对方关闭请求,已经确认

LAST ACK

(被动关闭)等待最后一个关闭确认,并等待所有分组死掉

 

1. 正常状态转换

   我们用图 3-13 来显示在正常的 TCP 连接的建立与终止过程中,客户与服务器所经历的不同状态。读者可以对照图 3-12 来阅读,使用图 3-12 的状态图来跟踪图 3-13 的状态变化过程,以便明白每个状态的变化:

·        服务器端首先执行 LISTEN 原语进入被动打开状态(LISTEN ),等待客户端连接;

·        当客户端的一个应用程序发出CONNECT 命令后,本地的 TCP 实体为其创建一个连接记录并标记为 SYNSENT 状态,然后给服务器发送一个 SYN 报文段;

·        服务器收到一个 SYN 报文段,其 TCP 实体给客户端发送确认 ACK 报文段同时发送一个 SYN 信号,进入 SYNRCVD 状态;

·        客户端收到 SYN + ACK 报文段,其 TCP 实体给服务器端发送出三次握手的最后一个 ACK 报文段,并转换为ESTABLISHED 状态;

·        服务器端收到确认的 ACK 报文段,完成了三次握手,于是也进入ESTABLISHED 状态。

  在此状态下,双方可以自由传输数据。当一个应用程序完成数据传输任务后,它需要关闭 TCP 连接。假设仍由客户端发起主动关闭连接。

·        客户端执行 CLOSE 原语,本地的 TCP 实体发送一个 FIN 报文段并等待响应的确认(进入状态 FINWAIT 1 );

·        服务器收到一个 FIN 报文段,它确认客户端的请求发回一个 ACK 报文段,进入 CLOSEWAIT 状态;

·        客户端收到确认 ACK 报文段,就转移到 FINWAIT 2 状态,此时连接在一个方向上就断开了;

·        服务器端应用得到通告后,也执行 CLOSE原语关闭另一个方向的连接,其本地 TCP 实体向客户端发送一个 FIN 报文段,并进入 LASTACK 状态,等待最后一个 ACK 确认报文段;

·        客户端收到 FIN 报文段并确认,进入 TIMEDWAIT 状态,此时双方连接均已经断开,但 TCP 要等待一个 2 倍报文段最大生存时间 MSL (Maximum Segment Lifetime ),确保该连接的所有分组全部消失,以防止出现确认丢失的情况。当定时器超时后, TCP 删除该连接记录,返回到初始状态(CLOSED )。

服务器收到最后一个确认ACK 报文段,其TCP 实体便释放该连接,并删除连接记录,返回到初始状态(CLOSED )。




握手阶段:
序号 方向seq ack
1  A->B 10000 0
2 B->A 20000 10000+1=10001
3 A->B 10001 20000+1=20001
解释:
1:A向B发起连接请求,以一个随机数初始化A的seq,这里假设为10000,此时ACK=0

2:B收到A的连接请求后,也以一个随机数初始化B的seq,这里假设为20000,意思是:你的请求我已收到,我这方的数据流就从这个数开始。B的ACK是A的seq加1,即10000+1=10001

3:A收到B的回复后,它的seq是它的上个请求的seq加1,即10000+1=10001,意思也是:你的回复我收到了,我这方的数据流就从这个数开始。A此时的ACK是B的seq加1,即20000+1=20001


数据传输阶段:
序号  方向      seq ack size
23 A->B 40000 70000 1514
24 B->A 70000 40000+1514-54=41460 54
25 A->B 41460 70000+54-54=70000 1514
26 B->A 70000 41460+1514-54=42920 54
解释:
23:B接收到A发来的seq=40000,ack=70000,size=1514的数据包
24:于是B向A也发一个数据包,告诉B,你的上个包我收到了。B的seq就以它收到的数据包的ACK填充,ACK是它收到的数据包的SEQ加上数据包的大小(不包括以太网协议头,IP头,TCP头),以证实B发过来的数据全收到了。
25:A在收到B发过来的ack为41460的数据包时,一看到41460,正好是它的上个数据包的seq加上包的大小,就明白,上次发送的数据包已安全到达。于是它再发一个数据包给B。这个正在发送的数据包的seq也以它收到的数据包的ACK填充,ACK就以它收到的数据包的seq(70000)加上包的size(54)填充,即ack=70000+54-54(全是头长,没数据项)。

其实在握手和结束时确认号应该是对方序列号加1,传输数据时则是对方序列号加上对方携带应用层数据的长度.如果从以太网包返回来计算所加的长度,就嫌走弯路了.
另外,如果对方没有数据过来,则自己的确认号不变,序列号为上次的序列号加上本次应用层数据发送长度.

三次握手Three-way Handshake

一个虚拟连接的建立是通过三次握手来实现的

1. (B) --> [SYN] --> (A)

假如服务器A和客户机B通讯. 当A要和B通信时,B首先向A发一个SYN (Synchronize) 标记的包,告诉A请求建立连接.

注意: 一个 SYN包就是仅SYN标记设为1的TCP包(参见TCP包头Resources). 认识到这点很重要,只有当A受到B发来的SYN包,才可建立连接,除此之外别无他法。因此,如果你的防火墙丢弃所有的发往外网接口的SYN包,那么你将不能让外部任何主机主动建立连接。

2. (B) <-- [SYN/ACK] <--(A)

接着,A收到后会发一个对SYN包的确认包(SYN/ACK)回去,表示对第一个SYN包的确认,并继续握手操作.

注意: SYN/ACK包是仅SYN 和 ACK 标记为1的包.

3. (B) --> [ACK] --> (A)

B收到SYN/ACK 包,B发一个确认包(ACK),通知A连接已建立。至此,三次握手完成,一个TCP连接完成

Note: ACK包就是仅ACK 标记设为1的TCP包. 需要注意的是当三此握手完成、连接建立以后,TCP连接的每个包都会设置ACK位

这就是为何连接跟踪很重要的原因了. 没有连接跟踪,防火墙将无法判断收到的ACK包是否属于一个已经建立的连接.一般的包过滤(Ipchains)收到ACK包时,会让它通过(这绝对不是个好主意). 而当状态型防火墙收到此种包时,它会先在连接表中查找是否属于哪个已建连接,否则丢弃该包

四次握手Four-way Handshake

四次握手用来关闭已建立的TCP连接

1. (B) --> ACK/FIN --> (A)

2. (B) <-- ACK <-- (A)

3. (B) <-- ACK/FIN <-- (A)

4. (B) --> ACK --> (A)

注意: 由于TCP连接是双向连接, 因此关闭连接需要在两个方向上做。ACK/FIN 包(ACK 和FIN 标记设为1)通常被认为是FIN(终结)包.然而, 由于连接还没有关闭, FIN包总是打上ACK标记. 没有ACK标记而仅有FIN标记的包不是合法的包,并且通常被认为是恶意的

连接复位Resetting a connection

四次握手不是关闭TCP连接的唯一方法. 有时,如果主机需要尽快关闭连接(或连接超时,端口或主机不可达),RST (Reset)包将被发送. 注意在,由于RST包不是TCP连接中的必须部分, 可以只发送RST包(即不带ACK标记). 但在正常的TCP连接中RST包可以带ACK确认标记

请注意RST包是可以不要收到方确认的?

无效的TCP标记Invalid TCP Flags

到目前为止,你已经看到了 SYN, ACK, FIN, 和RST 标记. 另外,还有PSH (Push) 和URG (Urgent)标记.

最常见的非法组合是SYN/FIN 包. 注意:由于 SYN包是用来初始化连接的, 它不可能和 FIN和RST标记一起出现. 这也是一个恶意攻击.

由于现在大多数防火墙已知 SYN/FIN 包, 别的一些组合,例如SYN/FIN/PSH, SYN/FIN/RST, SYN/FIN/RST/PSH。很明显,当网络中出现这种包时,很你的网络肯定受到攻击了。

别的已知的非法包有FIN (无ACK标记)和"NULL"包。如同早先讨论的,由于ACK/FIN包的出现是为了关闭一个TCP连接,那么正常的FIN包总是带有 ACK 标记。"NULL"包就是没有任何TCP标记的包(URG,ACK,PSH,RST,SYN,FIN都为0)。

到目前为止,正常的网络活动下,TCP协议栈不可能产生带有上面提到的任何一种标记组合的TCP包。当你发现这些不正常的包时,肯定有人对你的网络不怀好意。

UDP (用户数据包协议User Datagram Protocol)
TCP是面向连接的,而UDP是非连接的协议。UDP没有对接受进行确认的标记和确认机制。对丢包的处理是在应用层来完成的。(or accidental arrival).

此处需要重点注意的事情是:在正常情况下,当UDP包到达一个关闭的端口时,会返回一个UDP复位包。由于UDP是非面向连接的, 因此没有任何确认信息来确认包是否正确到达目的地。因此如果你的防火墙丢弃UDP包,它会开放所有的UDP端口(?)。

由于Internet上正常情况下一些包将被丢弃,甚至某些发往已关闭端口(非防火墙的)的UDP包将不会到达目的,它们将返回一个复位UDP包。

因为这个原因,UDP端口扫描总是不精确、不可靠的。

看起来大UDP包的碎片是常见的DOS (Denial of Service)攻击的常见形式 (这里有个DOS攻击的例子,http://grc.com/dos/grcdos.htm ).




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