🌐 TCP连接的建立与释放

计算机网络分层结构：

• 7层OSI参考模型（法定标准）
• 4层TCP/IP参考模型（事实标准）

标准化工作

计算机网络的标准化工作之标准的分类：

• 法定标准：由权威机构制定的正式的、合法的标准：OSI
• 事实标准：某些公司的产品在竞争中占据了主流，时间长了这些产品中的协议和技术就成了标准：TCP/IP

OSI参考模型（法定标准）

OSI七层模型，由ISO（国际标准化组织）指定制定的一个国际标准OSI（Open System Interconnect 开放式通信系统互联参考模型）。常用来分析和设计网络体系结构。

TCP/IP参考模型（事实标准）

OSI与TCP/IP.png

	ISO/OSI参考模型	TCP/IP参考模型
网络层	无连接+面向连接	无连接
传输层	面向连接	无连接+面向连接

面向连接 分为三个阶段，第一是建立连接，在此阶段，发出一个建立连接的请求。只有在连接成功建立之后，才能开始数据传输，这是第二阶段。接着，当数据传输完毕，必须释放连接。
面向无连接 没有这么多阶段，直接进行数据传输。

5层参考模型

综合OSI和TCP/IP的优点

5层参考模型.png

传输层

传输层的功能：

1. 传输层提供 进程和进程 之间的逻辑通信。网络层提供 主机之间 的逻辑通信；
2. 复用和分用；

• 复用：应用层所有的应用进程都可以通过传输层再传输到网络层；
• 分用：传输层从网络层收到数据后交付指明的应用进程；

3. 传输层对收到对报文进行差错检测；

传输层的两个协议

TCP

面向连接的传输控制协议TCP。传送数据之前必须建立连接，数据传送结束后要释放连接。不提供广播或多播服务。
由于TCP要提供可靠的面向连接的传输服务，因此不可避免增加了许多开销：确认、流量控制、计时器及连接管理等。
特点：可靠，面向连接，时延大，适应于大文件

• TCP是面向连接的传输层协议；
• 每一条TCP连接只能有两个端点，每一条TCP连接只能是点对点的；
• TCP提供可靠交付的服务，无差错、不丢失、不重复、按序到达（可靠有序，不丢不重）；
• TCP提供全双工通信，即发送方和接收方可以同时发送和接收；

发送缓存：准备发送的数据&已发送但尚未收到确认的数据
接收缓存：按序到达但尚未被接受应用程序读取的数据&不按序达到的数据

• TCP面向字节流，TCP把应用程序交下来的数据看成仅仅是一连串的无结构的字节流；

UDP

无连接的用户数据报协议UDP。传送数据之前不需要建立连接，收到UDP报文后也不需要给出任何确认。
特点：不可靠，无连接，时延小，适用于小文件

• UDP是无连接的，减少开销和发送数据之前的时延；
• UDP使用最大努力交付，即不保证可靠交付；
• UDP是面向报文的，即应用层给UDP多长的报文，UDP就照样发送，即一次发一个完整报文，适合一次性传输少量数据的网络应用；
  UDP传输.png
• UDP无拥塞控制，适合很多实时应用；
• UDP首部开销小，8B，TCP是20B；

TCP

TCP报文段首部格式

TCP报文段首部格式.png

• 序号：在一个TCP连接中传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号，本字段表示本报文段所发送数据的 第一个字节的序号 。
• 确认号：期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。若确认号为N，则证明到序号N-1为止的所有数据都已正确收到。
• 数据偏移（首部长度）：TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远，以4B位单位，即1个数值是4B。
  6个控制位：
• 紧急位URG：URG=1时，标明此报文段中有紧急数据，是高优先级的数据，应尽快传送，不用在缓存里排队，配合紧急指针字段使用。
• 确认位ACK：ACK=1时确认号有效，在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK置为1；
• 推送位PSH：PSH=1时，接收方尽快交付应用程序，不再等到缓存填满再向上交付；
• 复位RST：RST=1时，表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立传输链接；
• 同步位SYN：SYN=1时，表明是一个连接请求/连接接受报文；
• 终止位FIN：FIN=1时，表明此报文段发送方数据已发完，要求释放连接。
• 窗口：指发送本报文段的一方的接收窗口，即现在允许对方发送的数据量；
• 检验和：检验首部+数据，检验时要加上12B伪首部，第四个字段为6；
• 紧急指针：URG=1时才有意义，指出本报文段中紧急数据的字节数；
• 选项：最大报文段长度MSS、窗口扩大、时间戳、选择确认...

TCP连接建立（三次握手）

三次握手.png
TCP连接的建立采用客户服务器方式，主动发起连接建立的应用进程叫做客户，而被动等待连接建立的应用进程叫服务器。
TCP连接建立.png

• 客户端发送 连接请求报文段，无应用层数据 SYN=1（连接请求报文），序号位seq=x（随机）
• 服务端为该TCP连接 分配缓存和变量，并向客户端返回 确认报文段，允许连接，无应用层数据 SYN=1（连接接收报文），ACK=1，seq=y（随机）,确认号ack=x+1
• 客户端为该TCP连接 分配缓存和变量，并向服务器返回确认的确认，可以携带数据 SYN=0，ACK=1，seq=x+1，ack=y+1

SYN洪泛攻击

SYN洪泛攻击发生在OSI第四层，这种方式利用TCP协议的特性，就是三次握手。攻击者发送TCP SYN，SYN是TCP三次握手中的第一个数据包，而当服务器返回ACK后，该攻击者就不对其进行再确认，那这个TCP连接就处于挂起状态，就是所谓的半连接状态，服务器收不到再确认的话，还会重复发送ACK给攻击者。这样更加会浪费服务器资源。
攻击者就对服务器发送非常大量的这种TCP连接，由于每一个都没法完成三次握手，所以在服务器上，这些TCP连接会因为挂起状态而消耗CPU和内存，最后服务器可能死机，就无法为正常用户提供服务了。
解决方案：设置SYN cookie

为什么TCP一定要握手三次？

通过三次握手，客户端经历了一次请求和一次响应，服务端也经历了一次请求和一次响应，这时一方面确认了当前网络状态不错，另一方面又确认了自己这个沟通对象既能请求又能响应、确实没毛病。只有在这样安全、稳定的前提下，两台计算机之间才可以建立起 TCP 连接。三次握手的目的是为让双方验证各自的接收能力和发送能力，确保双方能够确实建立起稳定的传输通道。

TCP连接释放（四次挥手）

四次挥手.png TCP连接释放.png

• 客户端发送 连接释放报文段，停止发送数据，主动关闭TCP连接 FIN=1，seq=u
• 服务器端回送一个确认报文段，客户到服务器这个方向的连接就释放了--半关闭状态 ACK=1，seq=v，ack=u+1
• 服务端发完数据，就发出连接释放报文段，主动关闭TCP连接 FIN=1，ACK=1，seq=w，ack=u+1
• 客户端回送一个确认报文段，再等到时间等待计时器设置的2MS（最长报文段寿命）后，连接彻底关闭 ACK=1，seq=u+1，ack=w+1

为什么TCP分手一定要挥手四次？

TCP连接是全双工协议，就是说双方都可以同时向对方发送或接收数据。
当客户端在想要断开连接时，只能确认自己没有数据要传输给服务器了，但并不能确认服务器是否还有数据要发送。
分手嘛，是两个人的事情。客户端不会因为自己没话说了就直接终止关系，而是会等服务器把话说完再走。因此，即便客户端抛出了分手请求，这时服务器还是可以传输数据过来的。
前两次挥手，只是对分手这件事做确认，但并不会立即行分手之时。
第三次挥手前，服务器会把自己想说的话说完，然后再通知一次客户端。这时，双方才真正都为分开做好了准备。
第四次挥手，客户端接收到了来自服务端的分手请求，响应“接受”的信号，才最后给这一段关系画上了句号。