TCP 報文段結(jié)構(gòu)

一談到 TCP 協(xié)議结闸，大家最先想到的詞就是「面向連接」和「可靠」。沒錯酒朵，TCP 協(xié)議的設(shè)計就是為了能夠在客戶端和服務(wù)器之間建立起一個可靠連接膀估。

在講連接過程之前，我們先來看看 TCP 的報文段結(jié)構(gòu)耻讽，通過這個結(jié)構(gòu)，我們可以知道 TCP 能夠提供什么信息：

image

這里有幾點是需要注意的：

• TCP 協(xié)議需要一個四元組（源IP帕棉，源端口针肥，目的IP，目的端口）來確定連接香伴，這要和 UDP 協(xié)議區(qū)分開慰枕。多說一句，IP 地址位于 IP 報文段即纲，TCP 報文段是不含 IP 地址信息的具帮。

• 基本 TCP 頭部的長度是 20 字節(jié)，但是由于「選項」的長度是不確定的，所以需要「首部長度」字段明確給出頭部長度蜂厅。這里要注意的是匪凡，首部長度字段的單位是 32bit，也就是 4 字節(jié)掘猿，所以該字段的最小值是 5病游。

• 標(biāo)橙色的字段（確認(rèn)序號，接收窗口大小稠通，ECE衬衬，ACK）用于「回復(fù)」對方，舉個例子改橘，服務(wù)器收到對方的數(shù)據(jù)包后滋尉，不單獨發(fā)一個數(shù)據(jù)包來回應(yīng)，而是稍微等一下飞主，把確認(rèn)信息附在下一個發(fā)往客戶端的數(shù)據(jù)幀上狮惜，也就是捎帶技術(shù)。

• 窗口大小是一個 16 位無符號數(shù)既棺，也就是說窗口被限制在了 65535 字節(jié)讽挟，也就限制了 TCP 的吞吐量性能，這對一些高速以及高延遲的網(wǎng)絡(luò)不太友好（可以想想為什么）丸冕。所幸 TCP 額外提供了窗口縮放（Window Scale）選項耽梅，允許對這個值進(jìn)行縮放。

下面是 8 個標(biāo)志位的含義胖烛，有的協(xié)議比較舊眼姐，可能沒有前兩個標(biāo)志位：

image

標(biāo)志位雖然很多，但是如果放到具體場景里來看的話佩番，就很容易理解他們的作用了众旗。

TCP 三次握手

三次握手就是為了在客戶端和服務(wù)器間建立連接，這個過程并不復(fù)雜贡歧，但里面有很多細(xì)節(jié)需要注意。

image

這張圖就是握手的過程利朵，可以看到客戶端與服務(wù)器之間一共傳遞了三次消息，這三次握手其實就是兩臺機器之間互相確認(rèn)狀態(tài)绍弟，我們來一點一點看。

第一次握手

首先是客戶端發(fā)起連接樟遣，第一個數(shù)據(jù)包將 SYN 置位（也就是 SYN = 1）而叼，表明這個數(shù)據(jù)包是 SYN 報文段（也被稱為段 1）豹悬。這一次發(fā)送的目的是告訴服務(wù)器，自己的初始序列號是 client_isn 屿衅，還有一個隱含的信息在圖里沒有表現(xiàn)出來，那就是告知服務(wù)端自己想連接的端口號涤久。除了這些涡尘，客戶端還會發(fā)送一些選項，不過這跟三次握手沒多大關(guān)系响迂，暫且按下不表考抄。

段 1 里最需要注意的就是這個client_isn ，也就是初始序列號蔗彤〈罚「RFC0793^1」指出:

When new connections are created, an initial sequence number (ISN) generator is employed which selects a new 32 bit ISN. The generator is bound to a (possibly fictitious) 32 bit clock whose low order bit is incremented roughly every 4 microseconds. Thus, the ISN cycles approximately every 4.55 hours.

翻譯過來就是，初始序列號是一個 32 位的（虛擬）計數(shù)器然遏，而且這個計數(shù)器每 4 微秒加 1贫途，也就是說，ISN 的值每 4.55 小時循環(huán)一次待侵。這個舉措是為了防止序列號重疊丢早。

但即使這樣還是會有安全隱患——因為初始 ISN 仍然是可預(yù)測的，惡意程序可能會分析 ISN 秧倾，然后根據(jù)先前使用的 ISN 預(yù)測后續(xù) TCP 連接的 ISN怨酝，然后進(jìn)行攻擊，一個著名的例子就是「The Mitnick attack^2」 那先。這里摘一段原文：

Mitnick sent SYN request to X-Terminal and received SYN/ACK response. Then he sent RESET response to keep the X-Terminal from being filled up. He repeated this for twenty times. He found there is a pattern between two successive TCP sequence numbers. It turned out that the numbers were not random at all. The latter number was greater than the previous one by 128000.

所以為了讓初始序列號更難預(yù)測农猬，現(xiàn)代系統(tǒng)常常使用半隨機的方法選擇初始序列號，詳細(xì)的方法就不在這里展開了售淡。

第二次握手

當(dāng)服務(wù)器接收到客戶端的連接請求后斤葱，就會向客戶端發(fā)送 ACK 表示自己收到了連接請求，而且揖闸，服務(wù)器還得把自己的初始序列號告訴客戶端苦掘，這其實是兩個步驟，但是發(fā)送一個數(shù)據(jù)包就可以完成楔壤，用的就是前面說的捎帶技術(shù)。圖里的 ACK = client_isn + 1 是指確認(rèn)號字段的值惯驼，要注意和 ACK 標(biāo)志位區(qū)分開蹲嚣。

ACK 字段其實也有不少需要注意的點递瑰，不過這個跟滑動窗口一塊講比較直觀，這里就先不提了隙畜。

這里重點強調(diào)一下抖部，當(dāng)一個 SYN 報文段到達(dá)的時候，服務(wù)器會檢查處于 SYN_RCVD 狀態(tài)的連接數(shù)目是否超過了 tcp_max_syn_backlog 這個參數(shù)议惰，如果超過了慎颗，服務(wù)器就會拒絕連接。當(dāng)然言询，這個也會被黑客所利用俯萎，「SYN Flood」就是個很好的例子运杭。因為服務(wù)器在回復(fù) SYN-ACK 后，會等待客戶端的 ACK 撇眯，如果一定時間內(nèi)沒有收到熊榛，認(rèn)為是丟包了腕巡，就重發(fā) SYN-ACK逸雹，重復(fù)幾次后才會斷開這個連接，linux 可能要一分鐘才會斷開转质，所以攻擊者如果制造一大批 SYN 請求而不回復(fù)休蟹，服務(wù)器的 SYN 隊列很快就被耗盡日矫，這一段時間里哪轿，正常的連接也會得不到響應(yīng)。

服務(wù)器的這種狀態(tài)稱為靜默（muted）杨耙。為了抵御 SYN Flood 攻擊，服務(wù)器可以采用「SYN cookies」容握，這種思想是剔氏，當(dāng) SYN 到達(dá)時竹祷，并不直接為其分配內(nèi)存溶褪，而是把這條連接的信息編碼并保存在 SYN-ACK 報文段的序列號字段，如果客戶端回復(fù)了吹菱，服務(wù)器再從 ACK 字段里解算出 SYN 報文的重要信息（有點黑魔法的感覺了）鳍刷，驗證成功后才為該連接分配內(nèi)存俯抖。這樣芬萍，服務(wù)器不會響應(yīng)攻擊者的請求，正常連接則不會受到影響。

但 SYN cookies 本身有一些限制漫蛔，并不適合作為默認(rèn)選項莽龟，有興趣可以自行 Google。

第三次握手

這是建立 TCP 連接的最后一步剃毒，經(jīng)過前兩次握手迟赃，客戶端（服務(wù)器）已經(jīng)知道對方的滑動窗口大小，初始序列號等信息了纤壁，這不就完了嗎酌媒？為什么還要第三次握手秒咨？

這是因為服務(wù)器雖然把數(shù)據(jù)包發(fā)出去了，但他還不知道客戶端是否收到了這個包雨席，所以服務(wù)器需要等待客戶端返回一個 ACK陡厘，表明客戶端收到了數(shù)據(jù)特占，至此，連接完成谤饭。

連接建立后揉抵，進(jìn)入傳輸數(shù)據(jù)的階段冤今，這里就涉及到很多很多技術(shù)，我會另寫文章辟汰。

四次揮手

有了三次握手的基礎(chǔ)帖汞，四次揮手就比較容易理解了：

image

四次揮手的過程其實很簡單翩蘸，就是服務(wù)器和客戶端互相發(fā)送 FIN 和 ACK 報文段淮逊，告知對方要斷開連接。

四次揮手里值得關(guān)注的一點就是 TIME_WAIT 狀態(tài)郎任，也就是說主動關(guān)閉連接的一方舶治，即使收到了對方的 FIN 報文，也還要等待 2MSL 的時間才會徹底關(guān)閉這條連接尺锚。（這里面的 MSL 指的是最大段生成期瘫辩，指的是報文段在網(wǎng)絡(luò)中被允許存在的最長時間坛悉。）可為什么不直接關(guān)閉連接呢？

一個原因是弧械，第四次揮手的 ACK 報文段不一定到達(dá)了服務(wù)器刃唐，為了不讓服務(wù)器一直處于 LAST_ACK 狀態(tài)（服務(wù)器會重發(fā) FIN画饥，直到收到 ACK）浊猾，客戶端還得等一會兒，看看是否需要重發(fā)衔彻。假如真的丟包了艰额，服務(wù)器發(fā)送 FIN 椒涯，這個 FIN 報文到達(dá)客戶端時不會超過 2MSL（一來一回最多 2MSL），這時候客戶端這邊的 TCP 還沒關(guān)掉狱意，還能重發(fā) ACK拯欧。

另一個原因是，經(jīng)過 2MSL 之后镐作，網(wǎng)絡(luò)中與該連接相關(guān)的包都已經(jīng)消失了滑肉，不會干擾新連接靶庙。我們來看一個例子：假如客戶端向服務(wù)器建立了新的連接六荒，舊連接中某些延遲的數(shù)據(jù)堅持到了新連接建立完畢掏击，而且序列號剛好還在滑動窗口內(nèi)，服務(wù)器就誤把它當(dāng)成新連接的數(shù)據(jù)包接收砚亭，如下圖所示：

image

2MSL 機制就避免了這種情況捅膘。

關(guān)于 TIME_WAIT 還有很多有意思的地方寻仗，我覺得可以單獨再寫一篇文章了署尤，這里就不再多說亚侠。

感覺寫的有點亂了，因為 TCP 的知識確實是有點多混坞，希望各位讀者不要介意啥酱。