前言

• 首先，我們需要知道，我們程序的數(shù)據(jù)首先會(huì)打到TCP的Segment中，然后TCP的Segment會(huì)打到IP的Packet中，然后再打到以太網(wǎng)Ethernet的Frame中，傳到對(duì)端后，各個(gè)層解析自己的協(xié)議，然后把數(shù)據(jù)交給更高層的協(xié)議處理。
• 網(wǎng)絡(luò)上的傳輸是沒(méi)有連接的，包括TCP也是一樣的。而TCP所謂的“連接”，其實(shí)只不過(guò)是在通訊的雙方維護(hù)一個(gè)“連接狀態(tài)”，讓它看上去好像有連接一樣。所以，TCP的狀態(tài)變換是非常重要的。

TCP的特性

• TCP提供一種面向連接的、可靠的字節(jié)流服務(wù)
• 在一個(gè)TCP連接中，僅有兩方進(jìn)行彼此通信。廣播和多播不能用于TCP
• TCP使用校驗(yàn)和，確認(rèn)和重傳機(jī)制來(lái)保證可靠傳輸
• TCP使用累積確認(rèn)
• TCP使用滑動(dòng)窗口機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)流量控制，通過(guò)動(dòng)態(tài)改變窗口的大小進(jìn)行擁塞控制

TCP頭格式

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• TCP的包是沒(méi)有IP地址的，那是IP層上的事。但是有源端口和目標(biāo)端口。
• 一個(gè)TCP連接需要四個(gè)元組來(lái)表示是同一個(gè)連接（src_ip, src_port, dst_ip, dst_port）準(zhǔn)確說(shuō)是五元組，還有一個(gè)是協(xié)議。但因?yàn)檫@里只是說(shuō)TCP協(xié)議，所以，這里我只說(shuō)四元組。
• 注意上圖中的四個(gè)非常重要的東西：
• Sequence Number是包的序號(hào)，用來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)包亂序（reordering）問(wèn)題。
• Acknowledgement Number就是ACK——用于確認(rèn)收到，用來(lái)解決不丟包的問(wèn)題。
• Window又叫Advertised-Window，也就是著名的滑動(dòng)窗口（Sliding Window），用于解決流控的。
• TCP Flag ，也就是包的類型，主要是用于操控TCP的狀態(tài)機(jī)的。

TCP狀態(tài)機(jī)

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• 對(duì)于建鏈接的3次握手，主要是要初始化Sequence Number 的初始值。通信的雙方要互相通知對(duì)方自己的初始化的Sequence Number（縮寫(xiě)為ISN：Inital Sequence Number）——所以叫SYN，全稱Synchronize Sequence Numbers。也就上圖中的 x 和 y。這個(gè)號(hào)要作為以后的數(shù)據(jù)通信的序號(hào)，以保證應(yīng)用層接收到的數(shù)據(jù)不會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)上的傳輸?shù)膯?wèn)題而亂序（TCP會(huì)用這個(gè)序號(hào)來(lái)拼接數(shù)據(jù)）。

• 對(duì)于4次揮手，其實(shí)你仔細(xì)看是2次，因?yàn)門(mén)CP是全雙工的，所以，發(fā)送方和接收方都需要Fin和Ack。只不過(guò)，有一方是被動(dòng)的，所以看上去就成了所謂的4次揮手。如果兩邊同時(shí)斷連接，那就會(huì)就進(jìn)入到CLOSING狀態(tài)，然后到達(dá)TIME_WAIT狀態(tài)。下圖是雙方同時(shí)斷連接的示意圖（你同樣可以對(duì)照著TCP狀態(tài)機(jī)看）：

  
  
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三次握手與四次揮手###

• 所謂三次握手(Three-way Handshake)，是指建立一個(gè) TCP 連接時(shí)，需要客戶端和服務(wù)器總共發(fā)送3個(gè)包。
  三次握手的目的是連接服務(wù)器指定端口，建立 TCP 連接，并同步連接雙方的序列號(hào)和確認(rèn)號(hào)，交換 TCP 窗口大小信息。在 socket 編程中，客戶端執(zhí)行 connect() 時(shí)。將觸發(fā)三次握手。

• 第一次握手(SYN=1, seq=x):

客戶端發(fā)送一個(gè) TCP 的 SYN 標(biāo)志位置1的包，指明客戶端打算連接的服務(wù)器的端口，以及初始序號(hào) X,保存在包頭的序列號(hào)(Sequence Number)字段里。

發(fā)送完畢后，客戶端進(jìn)入 SYN_SEND 狀態(tài)。

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

服務(wù)器發(fā)回確認(rèn)包(ACK)應(yīng)答。即 SYN 標(biāo)志位和 ACK 標(biāo)志位均為1。服務(wù)器端選擇自己 ISN 序列號(hào)，放到 Seq 域里，同時(shí)將確認(rèn)序號(hào)(Acknowledgement Number)設(shè)置為客戶的 ISN 加1，即X+1。
發(fā)送完畢后，服務(wù)器端進(jìn)入 SYN_RCVD 狀態(tài)。

• 第三次握手(ACK=1，ACKnum=y+1)

客戶端再次發(fā)送確認(rèn)包(ACK)，SYN 標(biāo)志位為0，ACK 標(biāo)志位為1，并且把服務(wù)器發(fā)來(lái) ACK 的序號(hào)字段+1，放在確定字段中發(fā)送給對(duì)方，并且在數(shù)據(jù)段放寫(xiě)ISN的+1

發(fā)送完畢后，客戶端進(jìn)入 ESTABLISHED 狀態(tài)，當(dāng)服務(wù)器端接收到這個(gè)包時(shí)，也進(jìn)入 ESTABLISHED 狀態(tài)，TCP 握手結(jié)束。

三次握手的過(guò)程的示意圖如下：

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• TCP的連接的拆除需要發(fā)送四個(gè)包，因此稱為四次揮手(Four-way handshake)，也叫做改進(jìn)的三次握手。客戶端或服務(wù)器均可主動(dòng)發(fā)起揮手動(dòng)作，在 socket 編程中，任何一方執(zhí)行 close() 操作即可產(chǎn)生揮手操作。

• 第一次揮手(FIN=1，seq=x)
  假設(shè)客戶端想要關(guān)閉連接，客戶端發(fā)送一個(gè) FIN 標(biāo)志位置為1的包，表示自己已經(jīng)沒(méi)有數(shù)據(jù)可以發(fā)送了，但是仍然可以接受數(shù)據(jù)。
  發(fā)送完畢后，客戶端進(jìn)入 FIN_WAIT_1 狀態(tài)。

• 第二次揮手(ACK=1，ACKnum=x+1)
  服務(wù)器端確認(rèn)客戶端的 FIN 包，發(fā)送一個(gè)確認(rèn)包，表明自己接受到了客戶端關(guān)閉連接的請(qǐng)求，但還沒(méi)有準(zhǔn)備好關(guān)閉連接。
  發(fā)送完畢后，服務(wù)器端進(jìn)入 CLOSE_WAIT 狀態(tài)，客戶端接收到這個(gè)確認(rèn)包之后，進(jìn)入 FIN_WAIT_2 狀態(tài)，等待服務(wù)器端關(guān)閉連接。

• 第三次揮手(FIN=1，seq=y)
  服務(wù)器端準(zhǔn)備好關(guān)閉連接時(shí)，向客戶端發(fā)送結(jié)束連接請(qǐng)求，F(xiàn)IN 置為1。
  發(fā)送完畢后，服務(wù)器端進(jìn)入 LAST_ACK 狀態(tài)，等待來(lái)自客戶端的最后一個(gè)ACK。

• 第四次揮手(ACK=1，ACKnum=y+1)
  客戶端接收到來(lái)自服務(wù)器端的關(guān)閉請(qǐng)求，發(fā)送一個(gè)確認(rèn)包，并進(jìn)入 TIME_WAIT狀態(tài)，等待可能出現(xiàn)的要求重傳的 ACK 包。
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  服務(wù)器端接收到這個(gè)確認(rèn)包之后，關(guān)閉連接，進(jìn)入 CLOSED 狀態(tài)。
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  客戶端等待了某個(gè)固定時(shí)間（兩個(gè)最大段生命周期，2MSL，2 Maximum Segment Lifetime）之后，沒(méi)有收到服務(wù)器端的 ACK ，認(rèn)為服務(wù)器端已經(jīng)正常關(guān)閉連接，于是自己也關(guān)閉連接，進(jìn)入 CLOSED 狀態(tài)。

四次揮手的示意圖如下：

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SYN攻擊

• 什么是 SYN 攻擊（SYN Flood）？
  在三次握手過(guò)程中，服務(wù)器發(fā)送 SYN-ACK 之后，收到客戶端的 ACK 之前的 TCP 連接稱為半連接(half-open connect)。此時(shí)服務(wù)器處于 SYN_RCVD 狀態(tài)。當(dāng)收到 ACK 后，服務(wù)器才能轉(zhuǎn)入 ESTABLISHED 狀態(tài).
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  SYN 攻擊指的是，攻擊客戶端在短時(shí)間內(nèi)偽造大量不存在的IP地址，向服務(wù)器不斷地發(fā)送SYN包，服務(wù)器回復(fù)確認(rèn)包，并等待客戶的確認(rèn)。由于源地址是不存在的，服務(wù)器需要不斷的重發(fā)直至超時(shí)，這些偽造的SYN包將長(zhǎng)時(shí)間占用未連接隊(duì)列，正常的SYN請(qǐng)求被丟棄，導(dǎo)致目標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行緩慢，嚴(yán)重者會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)堵塞甚至系統(tǒng)癱瘓。
  SYN 攻擊是一種典型的 DoS/DDoS 攻擊。

• 如何檢測(cè) SYN 攻擊？
  檢測(cè) SYN 攻擊非常的方便，當(dāng)你在服務(wù)器上看到大量的半連接狀態(tài)時(shí)，特別是源IP地址是隨機(jī)的，基本上可以斷定這是一次SYN攻擊。在 Linux/Unix 上可以使用系統(tǒng)自帶的 netstats 命令來(lái)檢測(cè) SYN 攻擊。

• 如何防御 SYN 攻擊？
  SYN攻擊不能完全被阻止，除非將TCP協(xié)議重新設(shè)計(jì)。我們所做的是盡可能的減輕SYN攻擊的危害，常見(jiàn)的防御 SYN 攻擊的方法有如下幾種：

• 縮短超時(shí)（SYN Timeout）時(shí)間

• 增加最大半連接數(shù)

• 過(guò)濾網(wǎng)關(guān)防護(hù)

• SYN cookies技術(shù)

第一步：
客戶端TCP向服務(wù)端TCP發(fā)送一個(gè)特殊的TCP報(bào)文段，不包含應(yīng)用層數(shù)據(jù)，但在報(bào)文段首部的SYN標(biāo)志位被設(shè)為1，表示建立連接的報(bào)文段，因此被稱為SYN報(bào)文段。另外，客戶端會(huì)選擇一個(gè)初始序號(hào)client_isn，記錄在此報(bào)文段的序列號(hào)seq中。該報(bào)文段會(huì)封裝在一個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)中被發(fā)送到服務(wù)器端。這個(gè)報(bào)文段表達(dá)的就是希望建立的信息。
第二步：
一旦包含SYN報(bào)文段的IP數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)服務(wù)器主機(jī)，服務(wù)器從IP數(shù)據(jù)報(bào)中提取出TCP SYN報(bào)文段，為該TCP連接分配需要的緩存和變量，并向客戶端發(fā)送表示允許連接的報(bào)文段。這個(gè)允許連接的報(bào)文段也不包含任何應(yīng)用層數(shù)據(jù)，但包含三個(gè)重要的信息：首先，SYN被置為1，其次，該報(bào)文段的確認(rèn)號(hào)ack被置為client_isn+1，表示下一個(gè)希望接受的序列號(hào)為client_isn+1，最后，服務(wù)器選擇自己的初始序號(hào)server_isn，記錄在序列號(hào)seq中。這個(gè)報(bào)文表達(dá)的就是允許建立該連接，我自己的初始序號(hào)是server_isn。有時(shí)也被成為SYNACK報(bào)文段。
第三步：
在收到SYNACK報(bào)文段之后，客戶端也要給該連接分配緩存和變量，客戶端向服務(wù)器再發(fā)送一個(gè)報(bào)文段，對(duì)允許連接的報(bào)文段進(jìn)行了確認(rèn)，其ack被置為server_isn+1，表示下一個(gè)希望從服務(wù)器獲得的報(bào)文段的序列號(hào)為此。并且由于連接已經(jīng)建立了，SYN標(biāo)志位被置為0，并且已經(jīng)可以攜帶被傳送到服務(wù)器的應(yīng)用層數(shù)據(jù)。