TCP的三次握手与四次挥手

TCP连接介绍

HTTP 通信由 TCP/IP 承载的， TCP/IP 是全球计算机及网络设备都在使用的一种常用的分组交换网络分层协议集。 客户端应用程序可以打开一条 TCP/IP 连接，连接到可能运行在世界任何地方的服务器应用程序。 一旦连接建立， 在客户端和服务器的计算机之间交换的报文就永远不会丢失、 受损或失序。

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三步握手

TCP协议目的是为了保证数据能在两端准确连续的流动，可以想象两个建立起TCP通道的设备就如同接起了一根水管，数据就是水管中的水由一头流向另一头。然而TCP为了能让一个设备连接多根“水管”，让一个设备能同时与多个设备交互信息，它必须要保证不同水管之间不会产生串联或相互影响。
为了确保数据能够正确分发，TCP用一种叫做TCB（Transport Control Block），也叫传输控制块的数据结构把发给不同设备的数据封装起来，我们可以把该结构看做是信封。一个TCB数据块包含了数据发送双方对应的socket信息以及拥有装载数据的缓冲区。
在两个设备要建立连接发送数据之前，双方都必须要做一些准备工作，分配内存建立起TCB数据块就是连接建立前必须要做的准备工作。

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1）准备工作
最开始的时候客户端和服务器都是处于CLOSED状态。主动打开连接的为客户端，被动打开连接的是服务器。
TCP服务器进程先创建传输控制块TCB，时刻准备接受客户进程的连接请求，此时服务器就进入了LISTEN（监听）状态。
2）一次握手
TCP客户进程也是先创建传输控制块TCB，然后向服务器发出连接请求报文，这是报文首部中的同部位SYN=1，同时选择一个初始序列号 seq=x 。
此时，TCP客户端进程进入了 SYN-SENT（同步已发送状态）状态。TCP规定，SYN报文段（SYN=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号。
3）二次握手
TCP服务器收到请求报文后，如果同意连接，则发出确认报文。确认报文中应该 ACK=1，SYN=1，确认号是ack=x+1，同时也要为自己初始化一个序列号seq=y，此时，TCP服务器进程进入了SYN-RCVD（同步收到）状态。这个报文也不能携带数据，但是同样要消耗一个序号。
ACK为1表示确认号有效，为0表示报文中不包含确认信息。
4）三次握手
TCP客户进程收到确认后，还要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1，ack=y+1，自己的序列号seq=x+1，此时，TCP连接建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。TCP规定，ACK报文段可以携带数据，但是如果不携带数据则不消耗序号。
当服务器收到客户端的确认后也进入established状态，此后双方就可以开始通信了。
注：tcp建立连接需要三次握手，SYN是发送标志位，ACK是确认标志位。

为什么TCP客户端最后还要发送一次确认呢？

主要防止已经失效的连接请求报文突然又传送到了服务器，从而产生错误。
如果使用的是两次握手建立连接，假设有这样一种场景，客户端发送了第一个请求连接并且没有丢失，只是因为在网络结点中滞留的时间太长了，由于TCP的客户端迟迟没有收到确认报文，以为服务器没有收到，此时重新向服务器发送这条报文，此后客户端和服务器经过两次握手完成连接，传输数据，然后关闭连接。此时此前滞留的那一次请求连接，网络通畅了到达了服务器，这个报文本该是失效的，但是，两次握手的机制将会让客户端和服务器再次建立连接，这将导致不必要的错误和资源的浪费。
如果采用的是三次握手，就算是那一次失效的报文传送过来了，服务端接受到了那条失效报文并且回复了确认报文，但是客户端不会再次发出确认。由于服务器收不到确认，就知道客户端并没有请求连接。

为什么要3次握手?

换个易于理解的视角来看为什么要3次握手。
客户端和服务端通信前要进行连接，3次握手的作用就是双方都能明确自己和对方的收、发能力是正常的。
第一次握手：客户端发送网络包，服务端收到了。这样服务端就能得出结论：客户端的发送能力、服务端的接收能力是正常的。
第二次握手：服务端发包，客户端收到了。这样客户端就能得出结论：服务端的接收、发送能力，客户端的接收、发送能力是正常的。
从客户端的视角来看，我接到了服务端发送过来的响应数据包，说明服务端接收到了我在第一次握手时发送的网络包，并且成功发送了响应数据包，这就说明，服务端的接收、发送能力正常。
而另一方面，我收到了服务端的响应数据包，说明我第一次发送的网络包成功到达服务端，这样，我自己的发送和接收能力也是正常的。
第三次握手：客户端发包，服务端收到了。这样服务端就能得出结论：客户端的接收、发送能力，服务端的发送、接收能力是正常的。 第一、二次握手后，服务端并不知道客户端的接收能力以及自己的发送能力是否正常。而在第三次握手时，服务端收到了客户端对第二次握手作的回应。从服务端的角度，我在第二次握手时的响应数据发送出去了，客户端接收到了。所以，我的发送能力是正常的。而客户端的接收能力也是正常的。
经历了上面的三次握手过程，客户端和服务端都确认了自己的接收、发送能力是正常的。之后就可以正常通信了。

TCP协议缺陷

DDOS又称为分布式拒绝服务，全称是Distributed Denial of Service。DDOS本是利用合理的请求造成服务器资源过载，导致服务不可用。常见的DDOS攻击有SYN flood（SYN flood）、UDP flood、ICMP、flood等，其中SYN flood是一种最为经典的DDOS攻击。SYN flood如此猖獗是因为它利用了TCP协议设计中的缺陷，而TCP/IP协议是整个互联网的基础，牵一发而动全身，如今想要修复这样的缺陷几乎成为不可能的事情。
SYN flood攻击原理：

1. SYN flood在攻击时，首先伪造大量的源IP地址，分别向服务器端发送大量的SYN包。
2. 服务器端返回SYN/ACK包，因为源地址是伪造的，所以伪造的IP并不会应答。
3. 服务器端没有收到伪造IP的回应，会重试3~5次并且等待一个SYN Time（—般为30秒至2分钟），如果超时则丢弃这个连接。
4. 攻击者大量发送这种伪造源地址的SYN请求，服务器端将会消耗非常多的资源来处理这种半连接，同时还要不断地对这些IP进行SYN+ACK重试。
5. 最后的结果是服务器无暇理睬正常的连接请求，导致拒绝服务。

四次挥手

数据传输完毕后，双方都可释放连接。最开始的时候，客户端和服务器都是处于established（表示连接已经建立）状态，然后客户端主动关闭，服务器被动关闭。

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1. 客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1（FIN表示关闭连接，SYN表示建立连接），其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
2. 服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1（确认序号为收到的序号加1），并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
   CLOSE_WAIT：表示在等待关闭状态
3. 客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。
4. 服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
5. 客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2*MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
6. 服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。
   FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_2状态的真正含义都是表示等待对方的FIN报文。而这两种状态的区别是：FIN_WAIT_1状态实际上是当SOCKET在ESTABLISHED状态时，它想主动关闭连接，向对方发送了FIN报文，此时该SOCKET即进入到FIN_WAIT_1状态。而当对方回应ACK报文后，则进入到FIN_WAIT_2状态
   四次挥手简洁版：
   （1） TCP客户端发送一个FIN，用来关闭客户到服务器的数据传送。
   （2） 服务器收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。
   （3） 服务器关闭客户端的连接，发送一个FIN给客户端。
   （4） 客户端发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1。

为什么客户端最后还要等待2MSL？

MSL（Maximum Segment Lifetime），TCP允许不同的实现可以设置不同的MSL值。
去向ACK消息最大存活时间（MSL) + 来向FIN消息的最大存活时间(MSL)。这恰恰就是**2MSL( Maximum Segment Life)。
第一，保证客户端发送的最后一个ACK报文能够到达服务器，因为这个ACK报文可能丢失，站在服务器的角度看来，我已经发送了FIN+ACK报文请求断开了，客户端还没有给我回应，应该是我发送的请求断开报文它没有收到，于是服务器又会重新发送一次，而客户端就能在这个2MSL时间段内收到这个重传的报文，接着给出回应报文，并且会重启2MSL计时器。
第二，等待2MSL时间，客户端就可以放心地释放TCP占用的资源、端口号。如果不等，释放的端口可能会重连刚断开的服务器端口，这样依然存活在网络里的老的TCP报文可能与新TCP连接报文冲突，造成数据冲突，为避免此种情况，需要耐心等待网络老的TCP连接的活跃报文全部死翘翘，2MSL时间可以满足这个需求（尽管非常保守）！

为什么建立连接是三次握手，关闭连接确是四次挥手呢？

建立连接的时候， 服务器在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。
关闭连接时，服务器收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，而自己也未必已经将全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即关闭，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送，从而导致多了一次。

如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？

TCP还设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75秒发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。