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TCP三次握手简介

TCP三次握手简介

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身处在互联网时代,计算机网络至关重要,然而却一直没有好好的了解这方面的知识。好在今年总算是毕业了,工作也相对稳定了,是时候拿起书籍阅读,提升自己。

首先,就拿最近接触的TCP三次握手来小试,若本文存在错误或者不恰当指出,还望指出 :)

TCP三次握手(原创图片)

TCP首部简介

TCP三次握手涉及到TCP首部的一些知识,所有有必要先介绍下TCP首部的相关知识。如果嫌TCP首部内容太多,那么只要看下ACKSYN这两个标志比特就行了(因为TCP三次握手过程主要用到这两个标志比特)。

TCP首部(图片来自网络))

  • 源端口(Source Port)和目的端口(Destination Port): 分别占用16位,表示源端口号和目的端口号。用于区别主机中的不同进程,而IP地址是用来区分不同的主机的,源端口号和目的端口号配合上IP首部中的源IP地址和目的IP地址就能唯一的确定一个TCP连接。
  • 序号(Sequence Number): 用来标识从TCP发端向TCP收端发送的数据字节流,它表示在这个报文段中的的第一个数据字节在数据流中的序号。主要用来解决网络报乱序的问题。
  • 确认号(Acknowledgment Number): 32位确认序列号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号,因此,确认序号应当是上次已成功收到数据字节序号加1。不过,只有当标志位中的ACK标志(下面介绍)为1时该确认序列号的字段才有效。主要用来解决不丢包的问题。
  • 数据偏移(Offset): 给出首部中32 bit字的数目,需要这个值是因为任选字段的长度是可变的。这个字段占4bit(最多能表示15个32bit的的字,即4*15=60个字节的首部长度),因此TCP最多有60字节的首部。然而,没有选项字段,正常的长度是20字节。
  • 保留: 占6位。保留为今后使用,目前置为0。
  • 标志比特(TCP Flags): TCP首部中有6个标志比特,它们中的多个可同时被设置为1,主要是用于操控TCP的状态机的,依次为URG,ACK,PSH,RST,SYN,FIN。每个标志位的意思如下:
    • URG: 此标志表示TCP包的紧急指针域(后面马上就要说到)有效,用来保证TCP连接不被中断,并且督促中间层设备要尽快处理这些数据。
    • ACK: 此标志表示应答域有效,就是说前面所说的TCP应答号将会包含在TCP数据包中。有两个取值: 0和1,为1的时候表示应答域有效,反之为0。
    • PSH: 这个标志位表示Push操作。所谓Push操作就是指在数据包到达接收端以后,立即传送给应用程序,而不是在缓冲区中排队。
    • RST: 这个标志表示连接复位请求。用来复位那些产生错误的连接,也被用来拒绝错误和非法的数据包。
    • SYN: 表示同步序号,用来建立连接。SYN标志位和ACK标志位搭配使用,当连接请求的时候,SYN=1,ACK=0。连接被响应的时候,SYN=1,ACK=1。这个标志的数据包经常被用来进行端口扫描。扫描者发送一个只有SYN的数据包,如果对方主机响应了一个数据包回来 ,就表明这台主机存在这个端口。但是由于这种扫描方式只是进行TCP三次握手的第一次握手,因此这种扫描的成功表示被扫描的机器不很安全,一台安全的主机将会强制要求一个连接严格的进行TCP的三次握手。
    • FIN: 表示发送端已经达到数据末尾,也就是说双方的数据传送完成,没有数据可以传送了,发送FIN标志位的TCP数据包后,连接将被断开。这个标志的数据包也经常被用于进行端口扫描。
  • 窗口(Window): 也就是有名的滑动窗口,用来进行流量控制。这是一个复杂的问题,这篇博文中并不会进行总结。
  • 校验和: 占2字节。该字段检验的范围包括首部和数据这两部分。由发端计算和存储,并由收端进行验证。
  • 紧急指针: 占2个字节,紧急指针仅在URG=1时才有意义,它指出本报文段中的紧急数据的字节数。当所有紧急数据处理完毕时,TCP就告诉应用程序恢复到正常操作。值得注意的是,即使窗口为0时也可发送紧急数据。
  • 选项: 长度可变,最长可达40字节,当没有选项时,TCP的首部长度是20字节。最大报文段长度MSS,MSS是指每一个TCP报文段中的数据字段的最大长度。

TCP三次握手过程

其实以下这张图片就能说明TCP三次握手的过程以及握手两端状态的变化。

TCP三次握手(原创图片)

  • 第一次握手: 建立连接。客户端发送连接请求报文段,将SYN位置为1,Seq(Sequence Number)为X(由操作系统动态随机选取一个32位长的序列号)。然后,客户端进入SYN_SEND状态,等待服务器的确认。

  • 第二次握手: 服务器收到客户端的SYN报文段。需要对这个SYN报文段进行确认,设置Ack(Acknowledgment Number)设置为X(第一次握手中的Seq的值)+1。同时,自己还要发送SYN请求信息,将SYN位置为1,Seq(Sequence Number)为Y(由操作系统动态随机选取一个32位长的序列号)。服务器端将上述所有信息一并发送给客户端,此时服务器进入SYN_RECV状态。

  • 第三次握手: 客户端收到服务器的报文段。然后将Ack(Acknowledgment Number)设置为Y(第二次握手中的Seq的值)+1,Seq(Sequence Number)设置为X+1第二次握手中的Ack(Acknowledgment Number)值,向服务器发送ACK报文段,这个报文段发送完毕以后,客户端和服务器端都进入ESTABLISHED状态,完成TCP三次握手。

TCP的SYN同步标志位被设计成占用一个字节的编号,既然是一个字节的数据,按照TCP对有数据的TCP Segment必须确认的原则,所以可看到一端发送SYN,则另一端用ACK进行响应。

握手中断

  • 第一次握手中断: A发送给B的SYN中断,A会周期性超时重传,直到A收到B的确认响应。
  • 第二次握手中断: B发送给A的SYN、ACK中断,B会周期性超时重传,直到B收到A的确认响应。
  • 第三次握手中断: A发送给B的ACK中断,A不会重传。超时后,B会重传SYN信号(即回到第二次握手),直到B收到A的确认响应。

为什么要三次握手

以下是两种比较权威说法:

  • 在谢希仁著《计算机网络》第四版中讲“三次握手”的目的是“为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端,因而产生错误”。在另一部经典的《计算机网络》一书中讲“三次握手”的目的是为了解决“网络中存在延迟的重复分组”的问题。这两种不用的表述其实阐明的是同一个问题。谢希仁版《计算机网络》中的例子是这样的,“已失效的连接请求报文段”的产生在这样一种情况下:client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失,而是在某个网络结点长时间的滞留了,以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。本来这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后,就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。于是就向client发出确认报文段,同意建立连接。假设不采用“三次握手”,那么只要server发出确认,新的连接就建立了。由于现在client并没有发出建立连接的请求,因此不会理睬server的确认,也不会向server发送数据。但server却以为新的运输连接已经建立,并一直等待client发来数据。这样,server的很多资源就白白浪费掉了。采用“三次握手”的办法可以防止上述现象发生。例如刚才那种情况,client不会向server的确认发出确认。server由于收不到确认,就知道client并没有要求建立连接。”
  • 在Google Groups的TopLanguage中看到一帖讨论TCP“三次握手”觉得很有意思。贴主提出“TCP建立连接为什么是三次握手?”的问题,在众多回复中,有一条回复写道:“这个问题的本质是, 信道不可靠, 但是通信双发需要就某个问题达成一致. 而要解决这个问题, 无论你在消息中包含什么信息, 三次通信是理论上的最小值. 所以三次握手不是TCP本身的要求, 而是为了满足”在不可靠信道上可靠地传输信息”这一需求所导致的. 请注意这里的本质需求,信道不可靠, 数据传输要可靠. 三次达到了, 那后面你想接着握手也好, 发数据也好, 跟进行可靠信息传输的需求就没关系了. 因此,如果信道是可靠的, 即无论什么时候发出消息, 对方一定能收到, 或者你不关心是否要保证对方收到你的消息, 那就能像UDP那样直接发送消息就可以了.”。

是不是觉得好难懂的样子,那么可以先看下下面我画的对“为什么要三次握手”的图解,再回头看上面的讲解。

为什么是三次握手?(原创图片)

由图可以得出,三次握手的本质是:将“四次握手”中的第二次、第三次握手合为一次,因为“四次握手”中的第二次、第三次握手都是由B向A传递报文,而且这两次发送报文的目的允许这两次报文合并为一次。

实践(抓包分析)

接下来我们通过网络抓包的方式来了解TCP的三次握手。我这里使用的抓包软件是Wireshark

  • 打开Wireshark,选择需要捕获的网络。
    wireshark_welcome

  • 进入到主界面
    wireshark_main

  • 找到TCP三次握手
    wireshark_tcp_shake
    观察Wireshark上部已经捕获的网络数据包列表部分,看Info部分,能找到相对连续的三列(分别显示A -> B [SYN]...B -> A [SYN, ACK]...A -> B [ACK]...),便是TCP的三次握手,在找的时候,注意Source栏和Destination栏中的ip地址的相对应,以及Info栏中的端口的对应。

  • 查看第一次握手的详情
    wireshark_tcp_shake_first

  • 查看第二次握手的详情
    wireshark_tcp_shake_second

  • 查看第三次握手的详情
    wireshark_tcp_shake_third

选中每次一的握手数据包,点击下方的Transmission Control Protocol(TCP),即可显示每次TCP握手的详情。在详情中,我们展开Flags,可以看到比特标志位是否有被设置的情况。
我们能发现,实践中的TCP状态情况,跟上面提到的理论是一致的。

  • 第一次握手: [SYN] Seq=0
  • 第二次握手: [SYN, ACK] Seq=0 Ack=1
  • 第三次握手: [ACK] Seq=1 Ack=1

参考

感谢下列作者的分享

结束语

以上便是我这次关于TCP三次握手方面的分享,同时也感谢我在文章中提到的博文的博主的分享。如果您在阅读本文时发现有错误或不恰当之处,欢迎在评论中指出。

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