传输层

TCP 特点

TCP 是面向连接的、可靠的、基于字节流的：

  • 面向连接的：指的是一对一的连接方式、不能像 UDP 那样可以一个主机同时向多个主机发送消息，也就是说一对多是无法实现的
  • 可靠的：无论网络状况出现了怎样的变化，TCP 都能保证报文一定能够到达接收端
  • 字节流：UDP 的数据传输是基于数据报的，这是因为仅仅只是继承了 IP 层的特性，而 TCP 为了维护状态，将一个个 IP 包变成了字节流

TCP 与 UDP 的区别

  • 连接方面：
    • TCP 是面向连接的传输层协议，传输之前首先要建立连接
    • UDP 不需要建立连接即可传输数据
  • 服务对象：
    • TCP 是一对一的两点服务，即一条连接只有两个端点
    • UDP 支持一对一、一对多、多对多的交通通信
  • 可靠性：
    • TCP 是可靠交付数据的，数据可以无差别、不丢失、不重复、按需到达
    • UDP 只尽最大可能交付，不保证可靠交付数据
  • 拥塞控制、流量控制：
    • TCP 有拥塞控制和流量控制机制，考证数据传输的安全性
    • UDP 则没有，即使网络非常拥堵了，也不会影响 UDP 的发送速率，所以 UDP 具有低延迟的特性
  • 首部开销：
    • TCP 首部长度较长，会有一定的开销，首部在没有使用【选项】字段时有 20 个字节，如果使用了【选项】字段会更长，最大可达 60 个字节
    • UDP首部只有8个字节，并且是固定不变的、开销较小
  • 传输方式：
    • TCP 是流式传输、没有边界，但保证顺序和可靠

TCP 报文

TCP 报文结构

TCP 报文

如何标识唯一标识一个连接？答案是 TCP 连接的四元组 —— 源 IP、源端口、目标 IP 和目标端口。那 TCP 报文怎么没有源 IP 和目标 IP 呢？这是因为在 IP 层就已经处理了 IP ，所以 TCP 只需要记录两者的端口即可。

序列号 Sequence number

序列号在 TCP 通信的过程中有 3 个作用：

  • 接收方可以去除重复的数据
  • 接收方可以根据数据包的序列号按照顺序接收
  • 可以表示发出去的数据包中哪些已经被接收（SACK）

初始序列号 ISN

即 Initial Sequence Number

确认应答号 Ack Num

标记位

常见的标记为包括 SYN、ACK、FIN、RST

三次握手

三次握手过程

三次握手

一开始客户端和服务端都处于 CLOSED 状态，然后服务端主动监听了某个端口，处于 LISTEN 状态。接着开始正式的三次握手过程：

  • 客户端随机初始化一个序号 client_isn，将序号填入报文的序号字段。同时把 SYN 标志为 1，表示 SYN 报文。接着把第一个 SYN 报文发送给服务端，表示向服务端发起连接，之后客户端处于 SYN-SENT 状态

第一次握手

  • 服务端接收到 SYN 报文后，首先服务端也随机初始化自己的序号 server_isn，将序号填入报文的序号字段。其次把 TCP 首部的确认应答号填入 client_isn + 1，接着把 SYN 和 ACK 标志为 1。最后将报文发给客户端。该报文也不包含应用层数据。之后服务端处于 SYN-RCVD 状态

第二次握手

  • 客户端收到服务端报文后，还要向服务端回应最后一个报文，首先报文 TCP 首部的 ACK 标志为 1，其次确认应答号填入 server_isn + 1，最后把报文发送给服务端。这次报文可以携带客户端到服务端的数据。之后客户端处于 ESTABLISHED 状态

第三次握手

  • 服务端收到客户端的报文之后，也进入 ESTABLISHED 状态。

从上面的过程可以发现第三次握手是可以携带数据的，而前两次握手是不可以携带数据的。

为什么不是两次握手？

  • 首要目的是防止旧的连接导致数据错乱。⽹络环境是很复杂的，往往并不是如我们期望的⼀样，先发送的数据包，不一定先到达⽬标主机，反而可能会由于⽹络拥堵等乱七八糟的原因使得旧的数据包，先到达目标主机。如果一个旧的 SYN 报文比新的 SYN 更早到达了服务端的话，服务端会返回一个 SYN + ACK 报文给客户端。客户端收到之后可以根据确认应答号判断这是一个历史连接，然后会发送一个 RST 报文给服务端，表示终止这次连接；反之，如果这是最新的报文，就返回一个 ACK 报文告知服务端。如果是两次握手，那客户端即便知道这是一个历史连接，也无法告知服务端
  • 第二个目的是同步双方的初始化序列号。当客户端发送携带初始序列号的 SYN 报文的时候，需要服务端回复一个 ACK 报文，表示客户端的 SYN 报文已经被服务端成功接收；所以当服务端发送初始序列号给客户端的时候，也要得到客户端的应答。这样一来一回才能确保双方的初始序列号能被同步。两次握手只保证了一方的初始序列号能被对方成功接收，没办法保证双方的初始序列号都能被确认接收。序列号的作用有：
    • 接收方可以去除重复的数据
    • 接收方可以根据数据包的序列号按照顺序接收
    • 可以表示发出去的数据包中哪些已经被接收
  • 第三个目的是防止资源浪费。如果只有两次握手，当客户端的 SYN 请求连接在网络中阻塞，客户端没有接收到 ACK 报⽂，就会重新发送 SYN ，由于没有第三次握⼿，服务器不清楚客户端是否收到了自己发送的建⽴连接的 ACK 确认信号，所以每次收到一个 SYN 就会建立一个连接，这样就会存在很多冗余的链接

为什么不是四次握手？

四次握手

三次握手理论上已经足够可靠，中间两步可以合成一步。所以不需要使用更多的通信次数。

为什么客户端和服务端的初始序列号 ISN 每次连接都要重新生成？

  • 假设⼀个已经失效的连接被重用了，但是该旧连接的历史报⽂还残留在网络中，如果序列号相同，那么就无法分辨出该报文是不是历史报文，如果历史报文被新的连接接收了，则会产生数据错乱
  • 另一方面是为了安全性，防止黑客伪造相同序列号的 TCP 报文

ISN 是如何生成的？

ISN 并不是一个固定的值，而是每 4 ms 加一，溢出则回到 0，这个算法使得猜测 ISN 变得很困难。那为什么要这么做？如果 ISN 被攻击者预测到，要知道源 IP 和源端口号都是很容易伪造的，当攻击者猜测 ISN 之后，直接伪造一个 RST 后，就可以强制连接关闭的，这是非常危险的。而动态增长的 ISN 大大提高了猜测 ISN 的难度。

SYN Flood 攻击

洪水攻击属于典型的 DDoS 攻击。其攻击的原理很简单，就是用客户端在短时间内伪造大量不存在的 IP 地址，并向服务端疯狂发送SYN。对于服务端而言，会产生两个危险的后果：

  1. 处理大量的 SYN 包并返回对应 ACK，势必有大量连接处于 SYN_RCVD 状态，从而占满整个半连接队列，无法处理正常的请求
  2. 由于是不存在的 IP，服务端长时间收不到客户端的ACK，会导致服务端不断重发数据，直到耗尽服务端的资源

四次挥手

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