从TCP三次握手说起--浅析TCP协议中的疑难杂症(1)

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说到TCP协议，相信大家都比较熟悉了，对于TCP协议总能说个一二三来，但是TCP协议又是一个非常复杂的协议，其中有不少细节点让人头疼点。本文就是来说说这些头疼点的，浅谈一些TCP的疑难杂症。那么从哪说起呢？当然是从三次握手和四次挥手说起啦，可能大家都知道TCP是三次交互完成连接的建立，四次交互来断开一个连接，那为什么是三次握手和四次挥手呢？反过来不行吗？

1. 疑症(1)TCP的三次握手、四次挥手

下面两图大家再熟悉不过了，TCP的三次握手和四次挥手见下面左边的”TCP建立连接”、”TCP数据传送”、”TCP断开连接”时序图和右边的”TCP协议状态机”

要弄清TCP建立连接需要几次交互才行，我们需要弄清建立连接进行初始化的目标是什么。TCP进行握手初始化一个连接的目标是：分配资源、初始化序列号(通知peer对端我的初始序列号是多少)，知道初始化连接的目标，那么要达成这个目标的过程就简单了，握手过程可以简化为下面的四次交互：

1)client端首先发送一个SYN包告诉Server端我的初始序列号是X。
2)Server端收到SYN包后回复给client一个ACK确认包，告诉client说我收到了。
3)接着Server端也需要告诉client端自己的初始序列号，于是Server也发送一个SYN包告诉client我的初始序列号是Y。
4)Client收到后，回复Server一个ACK确认包说我知道了。

整个过程4次交互即可完成初始化，但是，细心的同学会发现两个问题：
[1]. Server发送SYN包是作为发起连接的SYN包，还是作为响应发起者的SYN包呢？怎么区分？比较容易引起混淆
[2].Server的ACK确认包和接下来的SYN包可以合成一个SYN ACK包一起发送的，没必要分别单独发送，这样省了一次交互同时也解决了问题[1]. 这样TCP建立一个连接，三次握手在进行最少次交互的情况下完成了Peer两端的资源分配和初始化序列号的交换。

大部分情况下建立连接需要三次握手，也不一定都是三次，有可能出现四次握手来建立连接的。如下图，当Peer两端同时发起SYN来建立连接的时候，就出现了四次握手来建立连接(对于有些TCP/IP的实现，可能不支持这种同时打开的情况)。

在三次握手过程中，细心的同学可能会有以下疑问：
（2）. 初始化序列号X、Y是可以是写死固定的吗，为什么不能呢？
（3）. 假如Client发送一个SYN包给Server后就挂了或是不管了，这个时候这个连接处于什么状态呢？会超时吗？为什么呢？

TCP进行断开连接的目标是：回收资源、终止数据传输。由于TCP是全双工的，需要Peer两端分别各自拆除自己通向Peer对端的方向的通信信道。这样需要四次挥手来分别拆除通信信道，就比较清晰明了了。

1）Client发送一个FIN包来告诉Server我已经没数据需要发给Server了。
2）Server收到后回复一个ACK确认包说我知道了。
3）然后server在自己也没数据发送给client后，Server也发送一个FIN包给Client告诉Client我也已经没数据发给client了。
4）Client收到后，就会回复一个ACK确认包说我知道了。
到此，四次挥手，这个TCP连接就可以完全拆除了。在四次挥手的过程中，细心的同学可能会有以下疑问：

（4）. Client和Server同时发起断开连接的FIN包会怎么样呢，TCP状态是怎么转移的?
（5）. 左侧图中的四次挥手过程中，Server端的ACK确认包能不能和接下来的FIN包合并成一个包呢，这样四次挥手就变成三次挥手了。
（6）. 四次挥手过程中，首先断开连接的一端，在回复最后一个ACK后，为什么要进行TIME_WAIT呢(超时设置是 2*MSL，RFC793定义了MSL为2分钟，Linux设置成了30s)，在TIME_WAIT的时候又不能释放资源，白白让资源占用那么长时间，能不能省了TIME_WAIT呢，为什么？

2. 疑症（2），TCP连接的初始化序列号能否固定

如果初始化序列号（缩写为ISN：Inital Sequence Number）可以固定，我们来看看会出现什么问题。假设ISN固定是1，Client和Server建立好一条TCP连接后，Client连续给Server发了10个包，这10个包不知怎么被链路上的路由器缓存了(路由器会毫无先兆地缓存或者丢弃任何的数据包)，这个时候碰巧Client挂掉了，然后Client用同样的端口号重新连上Server，Client又连续给Server发了几个包，假设这个时候Client的序列号变成了5。接着，之前被路由器缓存的10个数据包全部被路由到Server端了，Server给Client回复确认号10，这个时候，Client整个都不好了，这是什么情况？我的序列号才到5，你怎么给我的确认号是10了，整个都乱了。
RFC793中，建议ISN和一个假的时钟绑在一起，这个时钟会在每4微秒对ISN做加一操作，直到超过2^32，又从0开始，这需要4小时才会产生ISN的回绕问题，这几乎可以保证每个新连接的ISN不会和旧的连接的ISN产生冲突。这种递增方式的ISN，很容易让攻击者猜测到TCP连接的ISN，现在的实现大多是在一个基准值的基础上进行随机的。

3. 疑症（3），初始化连接的SYN超时问题

Client发送SYN包给Server后挂了，Server回给Client的SYN-ACK一直没收到Client的ACK确认，这个时候这个连接既没建立起来，也不能算失败。这就需要一个超时时间让Server将这个连接断开，否则这个连接就会一直占用Server的SYN连接队列中的一个位置，大量这样的连接就会将Server的SYN连接队列耗尽，让正常的连接无法得到处理。目前，Linux下默认会进行5次重发SYN-ACK包，重试的间隔时间从1s开始，下次的重试间隔时间是前一次的双倍，5次的重试时间间隔为1s, 2s, 4s, 8s, 16s，总共31s，第5次发出后还要等32s都知道第5次也超时了，所以，总共需要 1s + 2s + 4s+ 8s+ 16s + 32s = 63s，TCP才会把断开这个连接。由于，SYN超时需要63秒，那么就给攻击者一个攻击服务器的机会，攻击者在短时间内发送大量的SYN包给Server(俗称 SYN flood 攻击)，用于耗尽Server的SYN队列。对于应对SYN 过多的问题，linux提供了几个TCP参数：tcp_syncookies、tcp_synack_retries、tcp_max_syn_backlog、tcp_abort_on_overflow 来调整应对。

4. 疑症（4），TCP的Peer两端同时断开连接

由上面的”TCP协议状态机 “图可以看出，TCP的Peer端在收到对端的FIN包前发出了FIN包，那么该Peer的状态就变成了FIN_WAIT1，Peer在FIN_WAIT1状态下收到对端Peer对自己FIN包的ACK包的话，那么Peer状态就变成FIN_WAIT2，Peer在FIN_WAIT2下收到对端Peer的FIN包，在确认已经收到了对端Peer全部的Data数据包后，就响应一个ACK给对端Peer，然后自己进入TIME_WAIT状态；但是如果Peer在FIN_WAIT1状态下首先收到对端Peer的FIN包的话，那么该Peer在确认已经收到了对端Peer全部的Data数据包后，就响应一个ACK给对端Peer，然后自己进入CLOSEING状态，Peer在CLOSEING状态下收到自己的FIN包的ACK包的话，那么就进入TIME WAIT 状态。于是，TCP的Peer两端同时发起FIN包进行断开连接，那么两端Peer可能出现完全一样的状态转移 FIN_WAIT1——>CLOSEING——->TIME_WAIT，也就会Client和Server最后同时进入TIME_WAIT状态。同时关闭连接的状态转移如下图所示：

5. 疑症（5）四次挥手能不能变成三次挥手呢？？

答案是可能的。TCP是全双工通信，Cliet在自己已经不会在有新的数据要发送给Server后，可以发送FIN信号告知Server，这边已经终止Client到对端Server那边的数据传输。但是，这个时候对端Server可以继续往Client这边发送数据包。于是，两端数据传输的终止在时序上是独立并且可能会相隔比较长的时间，这个时候就必须最少需要2+2 = 4 次挥手来完全终止这个连接。但是，如果Server在收到Client的FIN包后，在也没数据需要发送给Client了，那么对Client的ACK包和Server自己的FIN包就可以合并成为一个包发送过去，这样四次挥手就可以变成三次了(似乎linux协议栈就是这样实现的)

6. 疑症（6） TCP的头号疼症TIME_WAIT状态

要说明TIME_WAIT的问题，需要解答以下几个问题

Peer两端，哪一端会进入TIME_WAIT呢？为什么?
相信大家都知道，TCP主动关闭连接的那一方会最后进入TIME_WAIT。那么怎么界定主动关闭方呢？是否主动关闭是由FIN包的先后决定的，就是在自己没收到对端Peer的FIN包之前自己发出了FIN包，那么自己就是主动关闭连接的那一方。对于疑症（4）中描述的情况，那么Peer两边都是主动关闭的一方，两边都会进入TIME_WAIT。为什么是主动关闭的一方进行TIME_WAIT呢，被动关闭的进入TIME_WAIT可以不呢？我们来看看TCP四次挥手可以简单分为下面三个过程

过程一.主动关闭方发送FIN；
过程二.被动关闭方收到主动关闭方的FIN后发送该FIN的ACK，被动关闭方发送FIN；
过程三.主动关闭方收到被动关闭方的FIN后发送该FIN的ACK，被动关闭方等待自己FIN的ACK

问题就在过程三中，据TCP协议规范，不对ACK进行ACK，如果主动关闭方不进入TIME_WAIT，那么主动关闭方在发送完ACK就走了的话，如果最后发送的ACK在路由过程中丢掉了，最后没能到被动关闭方，这个时候被动关闭方没收到自己FIN的ACK就不能关闭连接，接着被动关闭方会超时重发FIN包，但是这个时候已经没有对端会给该FIN回ACK，被动关闭方就无法正常关闭连接了，所以主动关闭方需要进入TIME_WAIT以便能够重发丢掉的被动关闭方FIN的ACK。
TIME_WAIT状态是用来解决或避免什么问题呢？
TIME_WAIT主要是用来解决以下几个问题：

1）上面解释为什么主动关闭方需要进入TIME_WAIT状态中提到的：主动关闭方需要进入TIME_WAIT以便能够重发丢掉的被动关闭方FIN包的ACK。如果主动关闭方不进入TIME_WAIT，那么在主动关闭方对被动关闭方FIN包的ACK丢失了的时候，被动关闭方由于没收到自己FIN的ACK，会进行重传FIN包，这个FIN包到主动关闭方后，由于这个连接已经不存在于主动关闭方了，这个时候主动关闭方无法识别这个FIN包，协议栈会认为对方疯了，都还没建立连接你给我来个FIN包？，于是回复一个RST包给被动关闭方，被动关闭方就会收到一个错误(我们见的比较多的：connect reset by peer，这里顺便说下 Broken pipe，在收到RST包的时候，还往这个连接写数据，就会收到 Broken pipe错误了)，原本应该正常关闭的连接，给我来个错误，很难让人接受。
2）防止已经断开的连接1中在链路中残留的FIN包终止掉新的连接2(重用了连接1的所有的5元素(源IP，目的IP，TCP，源端口，目的端口)），这个概率比较低，因为涉及到一个匹配问题，迟到的FIN分段的序列号必须落在连接2的一方的期望序列号范围之内，虽然概率低，但是确实可能发生，因为初始序列号都是随机产生的，并且这个序列号是32位的，会回绕。
3）防止链路上已经关闭的连接的残余数据包(a lost duplicate packet or a wandering duplicate packet) 干扰正常的数据包，造成数据流的不正常。这个问题和2）类似。
TIME_WAIT会带来哪些问题呢？
TIME_WAIT带来的问题注意是源于：一个连接进入TIME_WAIT状态后需要等待2*MSL(一般是1到4分钟)那么长的时间才能断开连接释放连接占用的资源，会造成以下问题

1）作为服务器，短时间内关闭了大量的Client连接，就会造成服务器上出现大量的TIME_WAIT连接，占据大量的tuple，严重消耗着服务器的资源。
2）作为客户端，短时间内大量的短连接，会大量消耗的Client机器的端口，毕竟端口只有65535个，端口被耗尽了，后续就无法在发起新的连接了。
(由于上面两个问题，作为客户端需要连本机的一个服务的时候，首选UNIX域套接字而不是TCP)

TIME_WAIT很令人头疼，很多问题是由TIME_WAIT造成的，但是TIME_WAIT又不是多余的不能简单将TIME_WAIT去掉，那么怎么来解决或缓解TIME_WAIT问题呢？可以进行TIME_WAIT的快速回收和重用来缓解TIME_WAIT的问题。有没一些清掉TIME_WAIT的技巧呢？

文章来自公众号：小时光茶社（Tech Teahouse）