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7 Linux 网络编程 TCP 协议(建立连接) [复制链接]

本帖最后由 兰博 于 2018-6-22 09:40 编辑

著名的三次握手将在这里登场。

1. 建立连接

先来看看图1,客户端和服务器是如何建立起连接的。




图1 三次握手

图2,是我们实际抓取的数据:




图2 请看红色框框中的三次握手

(1) 客户端发送一个 SYN 段(SYN 标志位置位),以及初始序号 ISN,在图 2 中,这个序号的值 seq = 2379453243. 在这个过程中,客户端是通过 connect 函数发起连接请求的,此时 connect 函数阻塞,等待服务器发回 ACK 应答。

(2) 服务器端接收到 SYN 段后(被动打开,只有设置了被动 socket 才有效),知道有新的连接请求到来,于是初始化一个序号 ISN,在上面的例子中这个值是 seq = 4269857. 此时服务器创建一个 TCP 段,将 SYN 和 ACK 标志置位,让 seq = 4269857, ack = 2379453244,然后将这个 TCP 段发送给客户端。这个步骤完全有内核完成,并将此连接加入未完成连接队列。

(3) 客户端再次收到服务器发送来的 TCP 段后,检查到带有 SYN 和 ACK 标志,于是客户端一方连接已经建立成功,此时 connect 函数返回。客户端创建一个 TCP 段,将 ACK 标志置位,同时将 ack 的值设置为 4269858,发送给服务器。

(4) 服务器收到客户端的 ACK 后,将此连接移到已完成连接队列。

在上面的描述中提到了未完成队列和已完成队列,这两个队列合在一起称为未决连接队列。下面具体解释一下。

2. 未决连接队列

在内核中,内核为任何一个给定的监听套接字(被动 socket)维护了一个未决连接队列,该队列分为两个部分,分别是未完成连接队列和已完成连接队列。

  • 未完成连接队列(incomplete connection queue),服务器只要收到了 SYN 段,就将该连接加入未完成连接队列。
  • 已完成连接队列(complete connection queue),服务器收到了客户端对 SYN 段的确认,将未完成连接队列中的连接移到已完成连接队列。



图3 未决连接队列

这个两个队列元素个数之和不超过 backlog,这是函数 listen 的参数。

3. 为什么要三次握手
  • 三次握手是有效的

先解释建立连接的一个基础条件:假设 A 和 B 两端要建立连接,A 给 B 发送 SYN,直到 A 确定下来 B 已经收到。这种方法前面已经用发短信的例子介绍过了,即 ACK + 超时重传的机制。

同样的,B 也可以利用 ACK + 超时重传机制给 A 发送 SYN 段。

这样双方都可以保证对方收到了自己的 SYN 段。写成步骤就是下面这样:

(1) A —— SYN ——> B
(2) B —— ACK ——> A
(3) B —— SYN ——> A
(4) A —— ACK ——> B

聪明的同学一眼就可以看出来步骤 2 和 3 可以合并成一个。因此,三次握手是有效的,正确的。

  • 为什么要三次握手

从两方面解释:

(1) 防止某个在网络中滞留的 SYN 段突然又被传送到服务器端

假设某上在网络中滞留的 SYN 突然被传送到服务器端,服务器收到此 SYN,必然认为是有客户发起了请求,于是回复 SYN + ACK. 这对应于前面讲的步骤 2 和 3,接下来服务器就需要等待对端回复的 ACK,对应于步骤 4.

实际上,根本就不存在这样的一个客户端,因为 SYN 段只是一个滞留数据段,客户端早已不存在,因此服务器永远等不到对端的 ACK 回复,经过一次次数的超时重传,服务器最终会放弃这个连接。

显然,这种滞留的 SYN 会极大的浪费服务器资源。SYN 泛洪攻击服务器就是利用的这个原理。具体同学们可以 Baidu or Google.

(2) 三次握手的目的

有些同学会有疑问,即使没有三次握手,就不能利用 ACK + 超时重传发送数据了吗,也就是说使用 UDP 协议 + ACK 能不能完成 TCP 的功能?

不妨这样看,你按顺序发了两个 UDP 数据报,假设为数据报 1 和 2,而对端先收到数据报 2,其次才收到数据报 1. 这时候,对端凭什么才能知道哪个数据报应该在前,哪个在后呢?在你不解释的情况下,对端就认为数据报 2 排在前面,数据报 1 排在后面。

为了解决这个问题,你不得不在你的 UDP 报文里加入编号,对端收到了这个报文,就可以自己根据报文编号排序了。好了,这个问题也解决了,还有一个问题,如果才能告诉对方,哪个 udp 报文是第一个报文?

假设你连续发送了 1 、2、3、4、5 号报文,对方收到了3、4、5,还有 1 和 2 对方暂时还没收到,你说,对端能不能把 3、4、5 交付给应用程序,虽然 3、4、5 的顺序没错?显然不行,你还得告诉对方哪个报文是第一个报文,是不是?然后你又加了一个标记在报文 1 里,当对方收到报文 1 了,就知道 1 号报文是第一个报文了,于是就按照顺序从 1 号报文开始,把数据交付给上层应用程序了。

上面的过程,也就是确定初始报文序号的过程,可以单独提炼出来。为了这样就简化了程序的设计,不妨把确定初始报文序号的过程在一开始就确定下来,只要没确定下来,就不发数据。对应到三次握手,本质上就是确定 ISN,即初始序号。

因此,三次握手的目的,即建立 TCP 连接的目的,是为了确认双方的初始序号 —— ISN.

4. 总结
  • 掌握三次握手的过程
  • 知道未决连接队列

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最近在搞这方面的项目,正好需要,可以了解一下!!!   详情 回复 发表于 2023-3-8 16:35
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