《TCP/IP详解 卷一》第13章 TCP连接管理
目录
13.1 引言
13.2 TCP连接的建立与终止
13.2.1 TCP半关闭
13.2.2 同时打开与关闭
13.2.3 初始序列号
13.2.4 例子
13.2.5 连接建立超时
13.2.6 连接与转换器
13.3 TCP 选项
13.3.1 最大段大小选项
13.3.2 选择确认选项
13.3.3 窗口缩放选项
13.3.4 时间戳选项与防回绕序列号
13.3.5 用户超时选项
13.3.6 认证选项
13.4 TCP的路径最大传输单元发现
13.4.1 例子
13.5 TCP状态转换
13.5.1 TCP状态转换图
13.5.2 TIME_WAIT 状态
13.5.3 静默时间
13.5.4 FIN_WAIT_2 状态
13.5.5 同时打开与关闭的转换
13.6 重置报文段
13.6.1 请求端口不存在
13.6.2 终止一条连接
13.6.3 半开连接
13.6.4 时间等待错误
13.7 TCP服务器选项
13.7.1 TCP 端口号
13.7.2 限制本地IP地址
13.7.3 限制外部节点
13.7.4 进入连接队列
13.8 与TCP连接管理相关的攻击
13.9 总结
13.1 引言
建立连接时，通信双方通过TCP选项交换参数。
某些选项只被允许在连接建立时发送。
TCP头部中选项最多为40字节。
13.2 TCP连接的建立与终止
ISN：初始序列号。发起方设置的随机的序列号。
上图连接关闭时，四次挥手中二三次报文序列号Seq都是L，这是因为没有发送数据。
TCP的SYN报文可承载应用数据。由于伯克利的socket API不支持，所以使用少。
每个TCP连接基本开销是7个报文段（三次握手，四次挥手）。
如果只传输少量数据，可用UDP协议，减少开销。但UDP存在拥塞管理，流量控制等问题。
13.2.1 TCP半关闭
如下图：关闭连接时，四次挥手只完成其中两次。此时即TCP半关闭状态。
场景：已完成数据发送，并发送FIN给对方，但仍希望接收来自对方数据，直到收到对方的FIN。
半关闭API：
shutdown(sock_fd, SHUT_WR);
关闭套接字写入端，但允许接收对方数据。
shutdown和close对比：
shutdown：
通过不同参数选择只关闭套接字读或写某一方向，或读写同时关闭。
不会立即关闭套接字，而是进入半关闭状态
close：
完全关闭套接字，读写均关闭，并释放资源。
13.2.2 同时打开与关闭
同时打开：
两个对等端同时发送连接请求（SYN），并相互确认（ACK）对方的连接请求。
作用：
同时发送连接请求，可减少连接延迟。
同时发送连接请求，可使NAT设备进行连接追踪conntrak正确处理连接。避免TCP连接失败。
报文交互：
4次握手( SYN+ACK，SYN+ACK)
同时关闭：
两个对等端同时发送连接关闭请求（FIN），并相互确认（ACK）对方的关闭请求。
13.2.3 初始序列号
初始序列号：即ISN。
每个TCP连接都有不同初始序列号，不与其他连接重复。
ISN作用：
用于数据包排序和重组。
防止旧连接延迟报文段被视为新连接的有效数据。
防止伪造合法TCP报文段。
Linux生成初始序列号ISN方法：
当前时钟+随机偏移量。
随机偏移量：连接标识（即4元组）散列得到。
13.2.4 例子
TCP有的选项不能在连接建立时使用，而有的选项可以。
13.2.5 连接建立超时
如服务器关闭，连接建立超时。
net.ipv4.tcp_syn_retries：
若未收到第二次握手SYN + ACK报文，第一次握手SYN报文最大重传次数。
通常为5。
net.ipv4.tcp_synack_retries：
若未收到第三次握手ACK报文，第二次握手SYN+ACK报文最大重传次数。
通常为5。
SYN和SYN+ACK两个报文重传时间都遵循指数回退原则。
13.2.6 连接与转换器
TCP计算校验和时会生成伪头部，伪头部包含源目IP等。
NAT转换后，会更改报文源IP，所以需要重新计算TCP校验和。
在NAT转换中也会读取TCP状态机，方便跟踪连接，包括当前状态、序列号，ACK号。
13.3 TCP 选项
下面按章节讲解常见选项。
13.3.1 最大段大小选项
最大段大小：即MSS。
即TCP载荷最大值，不包含TCP头。
TCP连接建立时，双方都在SYN报文的MSS选项中指明各自MSS。
最后选择双方较小的MSS，作为该连接MSS。未指明时默认536。
MSS典型值：
IPv4 MSS通常为1460字节（1500 MTU - 20 IP头 - 20 TCP头）
IPv6 MSS通常为1440字节。IPv6头部比IPv4多20个字节。
MSS协商成功后，双方在连接过程中不接收大于MSS报文段。
13.3.2 选择确认选项
传统的TCP只能确认收到的连续字节，而不能确认中间丢失的数据。
选择确认：即SACK。
SACK选项允许接收方报告成功接收的连续数据段以及中间丢失部分，使发送方只重传中间丢失部分，提高网络效率。
SACK选项两部分组成：
SACK Permitted：表示是否支持SACK 选项。
SACK Blocks：指示已成功接收的数据段范围。
TCP头部选项空间有限，一个报文段最多3个SACK Blocks。
13.3.3 窗口缩放选项
缩放：SCALE
窗口缩放选项（Window Scale Option）：
TCP头的窗口缩放选项中包含一个缩放因子，指示对方的窗口大小应按比例缩放。
TCP头部本来有窗口字段值，再乘以缩放因子，实现窗口缩放。
窗口缩放选项只能出现SYN报文段。
可根据网络丢包/延迟情况动态调整窗口大小，提高传输性能。
适用于：
高速网络：传统TCP窗口太小，无法充分利用网络带宽。
长距离网络
高丢包率网络
13.3.4 时间戳选项与防回绕序列号
时间戳选项（TSOPT）：
在TCP头中加入时间戳信息，用于测量传输延迟，计算往返时间RTT。
时间戳选项包含两个值：
TSval：Timestamp Value
发送端发送TCP报文时记录的时间戳。
TSecr：Timestamp Echo Reply
接收端表示接收到报文时的时间戳。
通过TSval ，TSecr值即可计算RTT。
RTT是衡量网络性能和稳定性的重要指标。
RTO（Retransmission Timeout）：
用于确定数据包的重传的时间间隔。
RTO值通常设为众多RTT采样值中较大一个，以便RTT波动大或网络拥塞时，仍能够正常传输，避免过早重传。
时间戳选项其他作用：
序列号回绕：指当TCP序列号达到最大值后（2^32-1），重新从0开始计数。
即使在序列号回绕时，时间戳选项提供了另一个递增的、唯一的标识符，避免序列号重叠问题，提高传输稳定性。
13.3.5 用户超时选项
用户超时（UTO）选项：
表示未收到数据ACK之前等待最长时间。
该选项允许应用程序自定义的超时时间，以便快速检测连接异常，并定制化超时处理策略。
设置TCP UTO选项：
int utimeout_ms = 5000;
setsockopt(sockfd, IPPROTO_TCP, TCP_USER_TIMEOUT, &utimeout_ms, sizeof(utimeout_ms)) ；
检测TCP UTO是否超时：
getsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_ERROR, &error, &len);
if (error == ETIMEDOUT) {
//UTO超时处理，如重传等。
}
NAT设备可将UTO时间设置为NAT连接活动计时器。
13.3.6 认证选项
目的：替换TCP-MD5机制。
TCP 认证选项（TCP Authentication Option, TCP-AO）
作用：握手时身份验证，密钥协商，加密通信。
13.4 TCP的路径最大传输单元发现
路径最大传输单元：PMTU，路径中所有设备MTU最小值。
13.4.1 例子
PPPoE的MTU为1492字节（以太网MTU 1500，减6字节PPPoE头，再减2字节PPP头）
配置接口MTU：
ifconfig ppp0 mtu 288
该接口向外发出报文最大为288字节，但是接收不受288限制。
内核参数net.ipv4.route.min_pmtu：
手动设置本地IPv4的PMTU。
本地转发IP数据包时，如果数据包大于min_pmtu，可分片。
13.5 TCP状态转换
13.5.1 TCP状态转换图
13.5.2 TIME_WAIT 状态
不携带数据的ACK不会消耗序列号
ACK丢失，不会重传ACK，而是对方等待ACK超时后，重传之前数据。
TIME_WAIT状态：等待2MSL时候后才变为CLOSED状态。
MSL：最大段生存期（Maximum Segment Lifetime）
一个TCP段在网络上能存在的最长时间。
TIME_WAIT状态等待一段时间才完全关闭连接。
作用：
如果服务器要重传FIN时，以便再次回复ACK。
处理延迟/重传数据：可等待接收因网络延迟或重传数据，之后再彻底关闭连接。
防止收到旧连接报文：
TIME_WAIT状态时，不允许建立新连接，所以不存在新连接接收到旧连接数据。
（除非使用了SO_REUSEADDR socket选项）
防SYN泛红攻击：TIME_WAIT状态时，不允许新连接，自然不处理SYN报文。
拓展：使用SO_REUSEADDR选项立即建立新连接后，如果收到TIME_WAIT旧连接的延迟数据，如何处理？
1. 区分数据：
内核通常通过检查序列号SN等标识来区分TIME_WAIT连接和新连接数据。
2. 处理：
如果数据与TIME_WAIT连接有关，内核丢弃数据。
13.5.3 静默时间
13.5.4 FIN_WAIT_2 状态
FIN_WAIT_2：
表示本端已发送关闭连接请求（FIN），并收到对方ACK。等待对方发送FIN报文。
对应内核参数net.ipv4.tcp.fin.timeout：
表示FIN_WAIT_2等待状态的最长时间，默认60秒。
如果在此时间内未收到对端的FIN报文，内核将释放/复位此连接。
13.5.5 同时打开与关闭的转换
13.6 重置报文段
即TCP头中带RST标志位的报文。
作用：强制终止TCP连接。
使用场景：
终止异常连接，如系统崩溃。
收到了不期望的SYN连接请求时，服务器拒绝连接请求。
收到非法数据流，终止连接。
下面章节详细介绍使用场景。
13.6.1 请求端口不存在
收到一个报文，本地没有监听该报文目的端口时：
UDP：回复ICMP目的地不可达（端口不可达）。
TCP：回复RST重置报文段。
13.6.2 终止一条连接
终止一条TCP连接的两种方法：
FIN：即正常四次挥手，有序释放，所有排队数据都已发送后再发送FIN，通常不会出现丢失数据情况。
RST：发送RST报文，断开连接。任何排队的数据都将被抛弃。
调用 close函数关闭套接字时，内核会尝试将套接字的发送缓冲区中的数据发送出去。
如果还有数据包没收到对端ACK，close函数会阻塞等待ACK确认或超时。
如果不启用SO_LINGER，会立即关闭套接字，而不管发送缓冲区中是否有未发送数据。
13.6.3 半开连接
半开连接：
含义：只单方面关闭一个方向连接。
造成原因：
客户端发送了FIN，并收到服务器ACK。但是服务器一直没有发送FIN。
此时只断开了单方向连接。客户端不能发送数据，但可从服务器接收数据。
典型场景：
通信一方的主机崩溃，断电，拔网线。
如果不通过半开连接传输数据，就无法检测出另一端已崩溃。
解决方法：
周期发送TCP keepalive消息来检测连接状态。
若超时没收响应，使用RST报文终止连接。
13.6.4 时间等待错误
时间等待错误（TIME-WAIT Assassination TWA）
网络滞留段有使得TIME_WAIT状态被意外结束。
举例：
TCP A收到旧连接延迟数据，并回复ACK。
TCP B收到莫名其妙的ACK后，会发出RST报文。
TCP A收到RST包后，TCP A提前从TIME-WAIT状态变为CLOSED状态。
解决方法：TIME_WAIT状态时忽略所有RST报文。
13.7 TCP服务器选项
13.7.1 TCP 端口号
查看本地TCP连接详细信息，包括使用的端口号：
netstat -antp
-a：显示所有连接，包括正连接和已建立。
-n：使用数字形式显示地址和端口。
-t： 仅显示TCP连接信息。
-p： 显示TCP连接的进程名和PID。
Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State PID/Program
tcp 0 0 127.0.0.1:631 0.0.0.0:* LISTEN -
tcp 0 0 172.19.254.6:22 172.19.1.46:49244 ESTABLISHED -
tcp 0 0 172.19.254.6:445 172.16.15.62:65306 SYN_RECV -
13.7.2 限制本地IP地址
如果本地有多个IP，可指定使用哪个IP地址用于TCP连接。
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.100");
bind(server_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr))；
反之：
server_addr.sin_addr.s_addr =INADDR_ANY;
此时服务器将监听所有网络接口上的数据。
13.7.3 限制外部节点
作用：
等待一个指定的客户端IP+端口发起主动连接。
伯克利套接字API没有该实现，即没有对应socket选项，只能等待连接到来后，再检查客户端的IP地址与端口号。
13.7.4 进入连接队列
半连接队列：
即SYN队列。
收到客户端的SYN报文时，服务器将连接请求放入半连接队列。此时服务器为SYN_RCVD 状态。
全连接队列：
当服务器调用accept函数接受连接，服务器将连接请求从半连接队列中移出，并放入全连接队列。此时服务器为ESTABLISHED状态。
内核参数net.ipv4.tcp_max_syn_backlog：
当服务器的SYN_RCVD状态的连接数超过该阈值，拒绝新连接请求。
未完成连接（backlog）：
已完成TCP三次握手，但还没有通过accpet函数接收连接。
backlog队列最大值为：net.core.somaxconn，默认128。
服务器队列溢出时，如果收到客户端连接请求，如何处理？
如果回复RST报文给客户端，客户端会认为服务器存在并繁忙，后续会继续请求连接。
所以最好不回复任何消息，让客户端以为服务器不存在。
13.8 与TCP连接管理相关的攻击
1. SYN泛洪攻击：
含义：
随机伪造源IP，发起大量SYN连接请求，使服务器维护大量半连接，耗尽系统资源尽。
半连接队列满后，服务器无法接受新连接请求，从而实现DoS攻击。
防攻击方法：
开启SYN cookies机制。
对应文件/proc/sys/net/ipv4/tcp_syncookies
SYN cookies工作原理：
服务器收到SYN包时，根据报文参数（如源目IP地址、源目端口号等）计算哈希值。
服务器将哈希值作为SYN+ACK包的序列号，将SYN+ACK发送给客户端。
客户端收到SYN+ACK包后，解析出序列号，并+1后作为ACK中确认号，将ACK回复给服务器。
服务器收到客户端ACK包后，将确认号-1，和之前的哈希值比较，若一致是合法请求。
开启SYN cookies后，不会在收到SYN报文后立刻创建半连接队列。
只有三次握手完毕才分配内存。
2. MTU非常小的ICMP PTB packet too big
PTB：Packet Too Big
含义：
伪造ICMP PTB消息，其中包含非常小的下一跳MTU。
被攻击方TCP被迫只能发送非常小数据包，降低性能。
解决方法：
当ICMP PTB消息的下一跳MTU小于576字节时，禁用路径最大传输单元发现（PMTUD）功能。
3. 欺骗攻击
含义：伪造4元组和校验都正确的RST报文，发给一个TCP连接。
解决方法：使用TCP-AO选项认证每一个报文。
13.9 总结
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