TCP/IP协议的三次握手和四次挥手

前言

在了解TCP/IP协议的三次握手前，我们需要先了解TCP报文的格式：

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|                     (11)                         |    (12)   |
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|                            (13)                              |
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|                            ...                               |
+--------------------------------------------------------------+

上述各个数字代表的含义如下：

数字	含义	说明
(1)	源端口
(2)	目的端口
(3)	序号	Seq序号，占32位，用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流，发起方发送数 据时对此进行标记。
(4)	确认号	Ack序号，占32位，只有ACK标志位为1时，确认序号字段才有效，Ack=Seq+1。
(5)	首部长度
(6)	保留
(7)	标志位	共6个，即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等，各个标志位的含义请看下表。
(8)	窗口
(9)	校验和
(10)	紧急指针
(11)	选项（可选）
(12)	填充
(13)	数据

标志位取值及含义

取值	含义
URG	紧急指针（urgent pointer）有效。
ACK	确认序号有效。
PSH	接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
RST	重置连接。
SYN	发起一个新连接。
FIN	释放一个连接。

需要注意的是：

• 不要将确认序号Ack与标志位中的ACK搞混了。
• 确认方Ack=发起方Req+1，两端配对。

三次握手

所谓三次握手（Three-Way Handshake）即建立TCP连接，就是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送3个包以确认连接的建立。在socket编程中，这一过程由客户端执行connect来触发，整个流程如下图所示：

sequenceDiagram
    participant Client
    participant Server
    Note left of Client: Client status: SYN_SENT
    Client->>Server: SYN=1 seq=J
    Note right of Server: Server status: SYN_RCVD
    Server->>Client: SYN=1,ACK=1 ack=J+1,seq=K
    Note left of Client: Client status: ESTABLISHED
    Client->>Server: ACK=1 ack=K+1
    Note right of Server: Server status: ESTABLISHED

• 第一次握手：Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。
• 第二次握手：Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。
• 第三次握手：Client收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

SYN攻击： 在三次握手过程中，Server发送SYN-ACK之后，收到Client的ACK之前的TCP连接称为半连接（half-open connect），此时Server处于SYN_RCVD状态，当收到ACK后，Server转入ESTABLISHED状态。

SYN攻击就是Client在短时间内伪造大量不存在的IP地址，并向Server不断地发送SYN包，Server回复确认包，并等待Client的确认， 由于源地址是不存在的，因此，Server需要不断重发直至超时，这些伪造的SYN包将产时间占用未连接队列，导致正常的SYN请求因为队 列满而被丢弃，从而引起网络堵塞甚至系统瘫痪。SYN攻击时一种典型的DDOS攻击，检测SYN攻击的方式非常简单，即当Server上有大 量半连接状态且源IP地址是随机的，则可以断定遭到SYN攻击了，使用如下命令可以让之现行：

#netstat -nap | grep SYN_RECV

四次挥手

所谓四次挥手（Four-Way Wavehand）即终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。在socket编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发，整个流程如下图所示：

sequenceDiagram
    participant Client
    participant Server
    Note left of Client: Client status: FIN_WAIT_1
    Client->>Server: FIN M
    Note right of Server: Server status: CLOSE_WAIT
    Server->>Client: ack M+1
    Note left of Client: Client status: FIN_WAIT_2
    Server->>Client: FIN N
    Note left of Client: Client status: TIME_WAIT
    Client->>Server: ACK=1 ack=K+1
    Note right of Server: Server status: CLOSED

由于TCP连接时全双工的，因此，每个方向都必须要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭，上图描述的即是如此。

• 第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN_WAIT_1状态。
• 第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），Server进入CLOSE_WAIT状态。
• 第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK状态。
• 第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。

上面是一方主动关闭，另一方被动关闭的情况，实际中还会出现同时发起主动关闭的情况，具体流程如下图：

sequenceDiagram
    participant Client
    participant Server
    Note left of Client: Client status: FIN_WAIT_1
    Note right of Server: Server status: FIN_WAIT_1
    Client->>Server: FIN J
    Server-->>Client: FIN K
    Note left of Client: Client status: CLOSING
    Note right of Server: Server status: CLOSING
    Server->>Client: ACK=1 ack=J+1
    Client-->>Server: ACK=1 ack=K+1
    Note left of Client: Client status: TIME_WAIT
    Note right of Server: Server status: TIME_WAIT

流程和状态在上图中已经很明了了，在此不再赘述，可以参考前面的四次挥手解析步骤。