1.2 TCP／UDP协议

TCP协议特点

  • 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。

UDP协议简介

UDP 是一个简单的传输层协议。和 TCP 相比，UDP 有下面几个显著特性：

  • UDP 缺乏可靠性。UDP 本身不提供确认，序列号，超时重传等机制。UDP 数据报可能在网络中被复制，被重新排序。即 UDP 不保证数据报会到达其最终目的地，也不保证各个数据报的先后顺序，也不保证每个数据报只到达一次
  • UDP 数据报是有长度的。每个 UDP 数据报都有长度，如果一个数据报正确地到达目的地，那么该数据报的长度将随数据一起传递给接收方。而 TCP 是一个字节流协议，没有任何（协议上的）记录边界。
  • UDP 是无连接的。UDP 客户和服务器之前不必存在长期的关系。UDP 发送数据报之前也不需要经过握手创建连接的过程。
  • UDP 支持多播和广播。

三次握手

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。

  • 第一次握手(SYN=1, seq=x):

    客户端发送一个 TCP 的 SYN 标志位置1的包，指明客户端打算连接的服务器的端口，以及初始序号 X,保存在包头的序列号(Sequence Number)字段里。

    发送完毕后，客户端进入 SYN_SEND 状态。

  • 第二次握手(SYN=1, ACK=1, seq=y, ACKnum=x+1):

    服务器发回确认包(ACK)应答。即 SYN 标志位和 ACK 标志位均为1。服务器端选择自己 ISN 序列号，放到 Seq 域里，同时将确认序号(Acknowledgement Number)设置为客户的 ISN 加1，即X+1。 发送完毕后，服务器端进入 SYN_RCVD 状态。

  • 第三次握手(ACK=1，ACKnum=y+1)

    客户端再次发送确认包(ACK)，SYN 标志位为0，ACK 标志位为1，并且把服务器发来 ACK 的序号字段+1，放在确定字段中发送给对方，并且在数据段放写ISN的+1

    发送完毕后，客户端进入 ESTABLISHED 状态，当服务器端接收到这个包时，也进入 ESTABLISHED 状态，TCP 握手结束。

TCP三次握手

四次挥手

TCP 的连接的拆除需要发送四个包，因此称为四次挥手(Four-way handshake)，也叫做改进的三次握手。客户端或服务器均可主动发起挥手动作，在 socket 编程中，任何一方执行 close() 操作即可产生挥手操作。

  • 第一次挥手(FIN=1，seq=x)

    假设客户端想要关闭连接，客户端发送一个 FIN 标志位置为1的包，表示自己已经没有数据可以发送了，但是仍然可以接受数据。

    发送完毕后，客户端进入 FIN_WAIT_1 状态。

  • 第二次挥手(ACK=1，ACKnum=x+1)

    服务器端确认客户端的 FIN 包，发送一个确认包，表明自己接受到了客户端关闭连接的请求，但还没有准备好关闭连接。

    发送完毕后，服务器端进入 CLOSE_WAIT 状态，客户端接收到这个确认包之后，进入 FIN_WAIT_2 状态，等待服务器端关闭连接。

  • 第三次挥手(FIN=1，seq=y)

    服务器端准备好关闭连接时，向客户端发送结束连接请求，FIN 置为1。

    发送完毕后，服务器端进入 LAST_ACK 状态，等待来自客户端的最后一个ACK。

  • 第四次挥手(ACK=1，ACKnum=y+1)

    客户端接收到来自服务器端的关闭请求，发送一个确认包，并进入 TIME_WAIT状态，等待可能出现的要求重传的 ACK 包。

    服务器端接收到这个确认包之后，关闭连接，进入 CLOSED 状态。

    客户端等待了某个固定时间（两个最大段生命周期，2MSL，2 Maximum Segment Lifetime）之后，没有收到服务器端的 ACK ，认为服务器端已经正常关闭连接，于是自己也关闭连接，进入 CLOSED 状态。

TCP四次挥手

TCP首部

TCP首部 ACK ：TCP协议规定，只有ACK=1时有效，也规定连接建立后所有发送的报文的ACK必须为1

SYN ： 在连接建立时用来同步序号。当SYN=1而ACK=0时，表明这是一个连接请求报文。对方若同意建立连接，则应在响应报文中使SYN=1和ACK=1. 因此, SYN置1就表示这是一个连接请求或连接接受报文。

FIN ：即完，终结的意思， 用来释放一个连接。当 FIN = 1 时，表明此报文段的发送方的数据已经发送完毕，并要求释放连接。

序号（seq）：指本报文段所发送的数据的第一个字节的序。例如一个报文段的序号字段是301，携带的数据共有100字节。显然下一个报文段的序号应该从401开始

确认号（ack）：是期望收到对方的下一个数据字节的序号，例如B正确收到了A发过来的一个报文段，其序号是501，数据长度是200，则B期望收到的下一个数据序号是701，于是B把确认号（ack）置为701。

注意：TCP采用的是累积确认，即确认是对所有按序接收的数据的确认，但请注意，接收方返回的确认号是已按序号收到的数据的最高序加1

SYN攻击

  • 什么是 SYN 攻击（SYN Flood）？

    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。

  • 如何检测 SYN 攻击？

    检测 SYN 攻击非常的方便，当你在服务器上看到大量的半连接状态时，特别是源IP地址是随机的，基本上可以断定这是一次SYN攻击。在 Linux/Unix 上可以使用系统自带的 netstats 命令来检测 SYN 攻击。

  • 如何防御 SYN 攻击？

    SYN攻击不能完全被阻止，除非将TCP协议重新设计。我们所做的是尽可能的减轻SYN攻击的危害，常见的防御 SYN 攻击的方法有如下几种：

    • 缩短超时（SYN Timeout）时间
    • 增加最大半连接数
    • 过滤网关防护
    • SYN cookies技术

滑动窗口

TCP协议里窗口机制有2种：一种是固定的窗口大小；一种是滑动的窗口。 这个窗口大小就是我们一次传输几个数据。 对所有数据帧按顺序赋予编号，发送方在发送过程中始终保持着一个发送窗口，只有落在发送窗口内的帧才允许被发送； 同时接收方也维持着一个接收窗口，只有落在接收窗口内的帧才允许接收。这样通过调整发送方窗口和接收方窗口的大小可以实现流量控制。

每个TCP/IP主机支持全双工数据传输，因此TCP有两个滑动窗口：一个用于接收数据，另一个用于发送数据。

  • 首先是第一次发送数据这个时候的窗口大小是根据链路带宽的大小来决定的。我们假设这个时候窗口的大小是3。

  • 这个时候接受方收到数据以后会对数据进行确认告诉发送方我下次希望手到的是数据是多少。这里我们看到接收方发送的ACK=3(这是发送方发送序列2的回答确认，下一次接收方期望接收到的是3序列信号)。

  • 这个时候发送方收到这个数据以后就知道我第一次发送的3个数据对方只收到了2个。就知道第3个数据对方没有收到。下次在发送的时候就从第3个数据开始发。这个时候窗口大小就变成了2 。
  • 看到接收方发送的ACK是5就表示他下一次希望收到的数据是5，发送方就知道我刚才发送的2个数据对方收了这个时候开始发送第5个数据。

只有在接收窗口向前滑动时（与此同时也发送了确认），发送窗口才有可能向前滑动。 当发送窗口和接收窗口的大小都等于1时，就是停止等待协议。

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