TCP是一种面向连接的单播协议，在发送数据前，通信双方必须在彼此间建立一条连接。所谓的“连接”，其实是客户端和服务器的内存里保存的一份关于对方的信息，如ip地址、端口号等。
TCP可以看成是一种字节流，它会处理IP层或以下的层的丢包、重复以及错误问题。在连接的建立过程中，双方需要交换一些连接的参数。这些参数可以放在TCP头部。
TCP提供了一种可靠、面向连接、字节流、传输层的服务，采用三次握手建立一个连接。采用4次挥手来关闭一个连接。
OSI七层网络模型从上到下依次是：
| 层级 | 协议 |
物理层
主要定义物理设备标准，如网线的接口类型、光纤的接口类型、各种传输介质的传输速率等。它的主要作用是传输比特流（就是由1、0转化为电流强弱来进行传输,到达目的地后在转化为1、0，也就是我们常说的数模转换与模数转换），这一层的数据叫做比特。
数据链路层
定义了如何让格式化数据以进行传输，以及如何让控制对物理介质的访问，这一层通常还提供错误检测和纠正，以确保数据的可靠传输。
网络层
在位于不同地理位置的网络中的两个主机系统之间提供连接和路径选择，Internet的发展使得从世界各站点访问信息的用户数大大增加，而网络层正是管理这种连接的层。
传输层
定义了一些传输数据的协议和端口号（WWW端口80等），如：TCP（传输控制协议，传输效率低，可靠性强，用于传输可靠性要求高，数据量大的数据），UDP（用户数据报协议，与TCP特性恰恰相反，用于传输可靠性要求不高，数据量小的数据，如QQ聊天数据就是通过这种方式传输的）， 主要是将从下层接收的数据进行分段和传输，到达目的地址后再进行重组，常常把这一层数据叫做段。
会话层
通过传输层（端口号：传输端口与接收端口）建立数据传输的通路，主要在你的系统之间发起会话或者接受会话请求（设备之间需要互相认识可以是IP也可以是MAC或者是主机名）。
表示层
可确保一个系统的应用层所发送的信息可以被另一个系统的应用层读取。例如，PC程序与另一台计算机进行通信，其中一台计算机使用扩展二一十进制交换码（EBCDIC），而另一台则使用美国信息交换标准码（ASCII）来表示相同的字符。如有必要，表示层会通过使用一种通格式来实现多种数据格式之间的转换。
应用层
是最靠近用户的OSI层，这一层为用户的应用程序（例如电子邮件、文件传输和终端仿真）提供网络服务。
【1】TCP协议
① TCP服务模型
一个TCP连接由一个4元组构成，分别是两个IP地址和两个端口号。一个TCP连接通常分为三个阶段：启动、数据传输、退出（关闭）。
当TCP接收到另一端的数据时，它会发送一个确认，但这个确认不会立即发送，一般会延迟一会儿。ACK是累积的，一个确认字节号N的ACK表示所有值到N的字节（不包括N）已经成功被接收了。这样的好处是如果一个ACK丢失，很可能后续的ACK就足以确认前面的报文段了。
一个完整的TCP连接是双向和对称的，数据可以在两个方向上平等地流动。给上层应用程序提供一种双工服务。一旦建立了一个连接，这个连接的一个方向上的每个TCP报文段都包含了相反方向上的报文段的一个ACK。
序列号的作用是使得一个TCP接收端可丢弃重复的报文段，记录以杂乱次序到达的报文段。因为TCP使用IP来传输报文段，而IP不提供重复消除或者保证次序正确的功能。另一方面，TCP是一个字节流协议，绝不会以杂乱的次序给上层程序发送数据。因此TCP接收端会被迫先保持大序列号的数据不交给应用程序，直到缺失的小序列号的报文段被填满。
② TCP头部
源端口和目的端口在TCP层确定双方进程，序列号表示的是报文段数据中的第一个字节号，ACK表示确认号，该确认号的发送方期待接收的下一个序列号，即最后被成功接收的数据字节序列号加1，这个字段只有在ACK位被启用的时候才有效。
当新建一个连接时，从客户端发送到服务端的第一个报文段的SYN位被启用，这称为SYN报文段，这时序列号字段包含了在本次连接的这个方向上要使用的第一个序列号，即初始序列号ISN，之后发送的数据是ISN加1，因此SYN位字段会消耗一个序列号，这意味着使用重传进行可靠传输。而不消耗序列号的ACK则不是。
头部长度（图中的数据偏移）以32位字为单位，也就是以4bytes为单位，它只有4位，最大为15，因此头部最大长度为60字节，而其最小为5，也就是头部最小为20字节（可变选项为空）。
ACK —— 确认，使得确认号有效。 RST —— 重置连接（经常看到的reset by peer）就是此字段搞的鬼。 SYN —— 用于初如化一个连接的序列号。 FIN —— 该报文段的发送方已经结束向对方发送数据。
当一个连接被建立或被终止时，交换的报文段只包含TCP头部，而没有数据。
字段分析
源端口：源端口和IP地址的作用是标识报文的返回地址。
目的端口：端口指明接收方计算机上的应用程序接口
TCP报头中的源端口号和目的端口号同IP数据报中的源IP与目的IP唯一确定一条TCP连接。
序号：是TCP可靠传输的关键部分。序号是该报文段发送的数据组的第一个字节的序号。在TCP传送的流中，每一个字节都有一个序号。比如一个报文段的序号为300，报文段数据部分共有100字节，则下一个报文段的序号为400。所以序号确保了TCP传输的有序性。
确认号：即ACK，指明下一个期待收到的字节序号，表明该序号之前的所有数据已经正确无误的收到。确认号只有当ACK标志为1时才有效。比如建立连接时，SYN报文的ACK标志位为0。
首部长度/数据偏移：占4位，它指出TCP报文的数据距离TCP报文段的起始处有多远。由于首部可能含有可选项内容，因此TCP报头的长度是不确定的，报头不包含任何任选字段则长度为20字节。4位首部长度字段所能表示的最大值为1111，转化为10进制为15，15*32/8=60，故报头最大长度为60字节。首部长度也叫数据偏移，是因为首部长度实际上指示了数据区在报文段中的起始偏移值。
保留：占6位，保留今后使用，但目前应都位0。
控制位：URG ACK PSH RST SYN FIN，共6个，每一个标志位表示一个控制功能。
紧急URG：当URG=1，表明紧急指针字段有效。告诉系统此报文段中有紧急数据
确认ACK：仅当ACK=1时，确认号字段才有效。TCP规定，在连接建立后所有报文的传输都必须把ACK置1。
推送PSH：当两个应用进程进行交互式通信时，有时在一端的应用进程希望在键入一个命令后立即就能收到对方的响应，这时候就将PSH=1。
复位RST：当RST=1，表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立连接。
同步SYN：在连接建立时用来同步序号。当SYN=1，ACK=0，表明是连接请求报文，若同意连接，则响应报文中应该使SYN=1，ACK=1。
终止FIN：用来释放连接。当FIN=1，表明此报文的发送方的数据已经发送完毕，并且要求释放。
窗口：滑动窗口大小，用来告知发送端接受端的缓存大小，以此控制发送端发送数据的速率，从而达到流量控制。窗口大小时一个16bit字段，因而窗口大小最大为65535。
校验和：奇偶校验，此校验和是对整个的 TCP 报文段，包括 TCP 头部和 TCP 数据，以 16 位字进行计算所得。由发送端计算和存储，并由接收端进行验证。
紧急指针：只有当 URG 标志置 1 时紧急指针才有效。紧急指针是一个正的偏移量，和顺序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。 TCP 的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。
选项和填充：最常见的可选字段是最长报文大小，又称为MSS（Maximum Segment Size），每个连接方通常都在通信的第一个报文段（为建立连接而设置SYN标志为1的那个段）中指明这个选项，它表示本端所能接受的最大报文段的长度。选项长度不一定是32位的整数倍，所以要加填充位，即在这个字段中加入额外的零，以保证TCP头是32的整数倍。
数据部分： TCP 报文段中的数据部分是可选的。在一个连接建立和一个连接终止时，双方交换的报文段仅有 TCP 首部。如果一方没有数据要发送，也使用没有任何数据的首部来确认收到的数据。在处理超时的许多情况中，也会发送不带任何数据的报文段。
③ 状态转换
三次握手和四次挥手的状态转换如下图。
【2】为什么要三次握手，四次挥手
① 三次握手
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。
每次都是接收到数据包的一方可以得到一些结论，发送的一方其实没有任何头绪。我虽然有发包的动作，但是我怎么知道我有没有发出去，而对方有没有接收到呢？
而从上面的过程可以看到，最少是需要三次握手过程的。两次达不到让双方都得出自己、对方的接收、发送能力都正常的结论。其实每次收到网络包的一方至少是可以得到：对方的发送、我方的接收是正常的。而每一步都是有关联的，下一次的“响应”是由于第一次的“请求”触发，因此每次握手其实是可以得到额外的结论的。比如第三次握手时，服务端收到数据包，表明看服务端只能得到客户端的发送能力、服务端的接收能力是正常的，但是结合第二次，说明服务端在第二次发送的响应包，客户端接收到了，并且作出了响应，从而得到额外的结论：客户端的接收、服务端的发送是正常的。
② 四次挥手
TCP连接是双向传输的对等的模式，就是说双方都可以同时向对方发送或接收数据。当有一方要关闭连接时，会发送指令告知对方，我要关闭连接了。这时对方会回一个ACK，此时一个方向的连接关闭。但是另一个方向仍然可以继续传输数据，等到发送完了所有的数据后，会发送一个FIN段来关闭此方向上的连接。接收方发送ACK确认关闭连接。
第一次挥手：客户端发送一个FIN，用来关闭客户端到服务器的数据传送，也就是客户端告诉服务器：我已经不 会再给你发数据了(当然，在fin包之前发送出去的数据，如果没有收到对应的ack确认报文，客户端依然会重发这些数据)，但是，此时客户端还可 以接受数据。
FIN=1，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。
第二次挥手：服务器收到FIN包后，发送一个ACK给对方并且带上自己的序列号seq，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号）。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(（先发送ACK的目的是为了防止在这段时间内，对方重传FIN报文段）)。
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）。
第三次挥手：服务器发送一个FIN，用来关闭服务器到客户端的数据传送，也就是告诉客户端，我的数据也发送完了，不会再给你发数据了。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。
第四次挥手：主动关闭方收到FIN后，发送一个ACK给被动关闭方，确认序号为收到序号+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。
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。
至此，完成四次挥手。
四次挥手
③ 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。
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，防止类似与“三次握手”中提到了的“已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中。客户端发送完最后一个确认报文后，在这个2MSL时间中，就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文。
④ 为什么建立连接是三次握手，而关闭连接却是四次挥手呢？
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。
而关闭连接时，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。
【3】“三次握手，四次挥手”进阶
① ISN(Initial Sequence Number)
三次握手的一个重要功能是客户端和服务端交换ISN(Initial Sequence Number), 以便让对方知道接下来接收数据的时候如何按序列号组装数据。
如果ISN是固定的，攻击者很容易猜出后续的确认号。
ISN = M + F(localhost, localport, remotehost, remoteport)
M是一个计时器，每隔4微秒加1。 F是一个Hash算法，根据源IP、目的IP、源端口、目的端口生成一个随机数值。要保证hash算法不能被外部轻易推算得出。
② 序列号回绕
因为ISN是随机的，所以序列号容易就会超过2^31-1. 而tcp对于丢包和乱序等问题的判断都是依赖于序列号大小比较的。此时就出现了所谓的tcp序列号回绕（sequence wraparound）问题。
/** The next routines deal with comparing 32 bit unsigned ints * and worry about wraparound (automatic with unsigned arithmetic).*/ static inline int before(__u32 seq1, __u32 seq2){ return (__s32)(seq1-seq2) < 0;} #define after(seq2, seq1) before(seq1, seq2)
上述代码是内核中的解决回绕问题代码。s32是有符号整型的意思，而u32则是无符号整型。序列号发生回绕后，序列号变小，相减之后，把结果变成有符号数了，因此结果成了负数。
假设seq1=255， seq2=1（发生了回绕）。 seq1 = 1111 1111 seq2 = 0000 0001 我们希望比较结果是 seq1 - seq2= 1111 1111 -0000 0001 ----------- 1111 1110 由于我们将结果转化成了有符号数，由于最高位是1，因此结果是一个负数，负数的绝对值为 0000 0001 + 1 = 0000 0010 = 2 因此seq1 - seq2 < 0
③ syn flood攻击
最基本的DoS攻击就是利用合理的服务请求来占用过多的服务资源，从而使合法用户无法得到服务的响应。syn flood属于Dos攻击的一种。
如果恶意的向某个服务器端口发送大量的SYN包，则可以使服务器打开大量的半开连接，分配TCB（Transmission Control Block）, 从而消耗大量的服务器资源，同时也使得正常的连接请求无法被响应。当开放了一个TCP端口后，该端口就处于Listening状态，不停地监视发到该端口的Syn报文，一 旦接收到Client发来的Syn报文，就需要为该请求分配一个TCB，通常一个TCB至少需要280个字节，在某些操作系统中TCB甚至需要1300个字节，并返回一个SYN ACK命令，立即转为SYN-RECEIVED即半开连接状态。系统会为此耗尽资源。
【4】常见的防攻击方法
① 无效连接的监视释放
监视系统的半开连接和不活动连接，当达到一定阈值时拆除这些连接，从而释放系统资源。这种方法对于所有的连接一视同仁，而且由于SYN Flood造成的半开连接数量很大，正常连接请求也被淹没在其中被这种方式误释放掉，因此这种方法属于入门级的SYN Flood方法。
② 延缓TCB分配方法
消耗服务器资源主要是因为当SYN数据报文一到达，系统立即分配TCB，从而占用了资源。而SYN Flood由于很难建立起正常连接，因此，当正常连接建立起来后再分配TCB则可以有效地减轻服务器资源的消耗。常见的方法是使用Syn Cache和Syn Cookie技术。
③ Syn Cache技术
系统在收到一个SYN报文时，在一个专用HASH表中保存这种半连接信息，直到收到正确的回应ACK报文再分配TCB。这个开销远小于TCB的开销。当然还需要保存序列号。
④ Syn Cookie技术
Syn Cookie技术则完全不使用任何存储资源，这种方法比较巧妙，它使用一种特殊的算法生成Sequence Number，这种算法考虑到了对方的IP、端口、己方IP、端口的固定信息，以及对方无法知道而己方比较固定的一些信息，如MSS(Maximum Segment Size，最大报文段大小，指的是TCP报文的最大数据报长度，其中不包括TCP首部长度。)、时间等，在收到对方 的ACK报文后，重新计算一遍，看其是否与对方回应报文中的（Sequence Number-1）相同，从而决定是否分配TCB资源。
⑤ 使用SYN Proxy防火墙
一种方式是防火墙确认连接的有效性后，防火墙才会向内部服务器发起SYN请求。防火墙代服务器发出的SYN ACK包使用的序列号为c, 而真正的服务器回应的序列号为c’, 这样，在每个数据报文经过防火墙的时候进行序列号的修改。另一种方式是防火墙确定了连接的安全后，会发出一个safe reset命令，client会进行重新连接，这时出现的syn报文会直接放行。这样不需要修改序列号了。但是，client需要发起两次握手过程，因此建立连接的时间将会延长。
【5】连接队列
在外部请求到达时，被服务程序最终感知到前，连接可能处于SYN_RCVD状态或是ESTABLISHED状态，但还未被应用程序接受。
对应地，服务器端也会维护两种队列，处于SYN_RCVD状态的半连接队列，而处于ESTABLISHED状态但仍未被应用程序accept的为全连接队列。如果这两个队列满了之后，就会出现各种丢包的情形。
如上图所示，这里有两个队列：syns queue(半连接队列）；accept queue（全连接队列）。
三次握手中，在第一步server收到client的syn后，把这个连接信息放到半连接队列中，同时回复syn+ack给client（第二步）；
第三步的时候server收到client的ack，如果这时全连接队列没满，那么从半连接队列拿出这个连接的信息放入到全连接队列中，否则按tcp_abort_on_overflow指示的执行。
这时如果全连接队列满了并且tcp_abort_on_overflow是0的话，server过一段时间再次发送syn+ack给client（也就是重新走握手的第二步），如果client超时等待比较短，client就很容易异常了。
查看是否有连接溢出 netstat -s | grep LISTEN
① 半连接队列满了
在三次握手协议中，服务器维护一个半连接队列，该队列为每个客户端的SYN包开设一个条目(服务端在接收到SYN包的时候，就已经创建了request_sock结构，存储在半连接队列中)，该条目表明服务器已收到SYN包，并向客户发出确认，正在等待客户的确认包。这些条目所标识的连接在服务器处于Syn_RECV状态，当服务器收到客户的确认包时，删除该条目，服务器进入ESTABLISHED状态。
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, 称为指数退避，第5次发出后还要等32s才知道第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。
② 全连接队列满
当第三次握手时，当server接收到ACK包之后，会进入一个新的叫 accept 的队列。
当accept队列满了之后，即使client继续向server发送ACK的包，也会不被响应，此时ListenOverflows+1，同时server通过tcp_abort_on_overflow来决定如何返回，0表示直接丢弃该ACK，1表示发送RST通知client。相应的，client则会分别返回read timeout 或者 connection reset by peer。
另外，tcp_abort_on_overflow是0的话，server过一段时间再次发送syn+ack给client（也就是重新走握手的第二步），如果client超时等待比较短，就很容易异常了。而客户端收到多个 SYN ACK 包，则会认为之前的 ACK 丢包了。于是促使客户端再次发送 ACK ，在 accept队列有空闲的时候最终完成连接。若 accept队列始终满员，则最终客户端收到 RST 包（此时服务端发送syn+ack的次数超出了tcp_synack_retries）。
服务端仅仅只是创建一个定时器，以固定间隔重传syn和ack到服务端。
tcp_abort_on_overflow 为0表示如果三次握手第三步的时候全连接队列满了那么server扔掉client 发过来的ack（在server端认为连接还没建立起来）
tcp_abort_on_overflow为1表示第三步的时候如果全连接队列满了，server发送一个reset包给client，表示废掉这个握手过程和这个连接（本来在server端这个连接就还没建立起来）。
简单来说TCP三次握手后有个accept队列，进到这个队列才能从Listen变成accept，默认backlog 值是50，很容易就满了。满了之后握手第三步的时候server就忽略了client发过来的ack包（隔一段时间server重发握手第二步的syn+ack包给client），如果这个连接一直排不上队就异常了。
③ 小结
当外部连接请求到来时，TCP模块会首先查看max_syn_backlog，如果处于SYN_RCVD状态的连接数目超过这一阈值，进入的连接会被拒绝。根据tcp_abort_on_overflow字段来决定是直接丢弃，还是直接reset.
从服务端来说，三次握手中，第一步server接受到client的syn后，把相关信息放到半连接队列中，同时回复syn+ack给client. 第三步当收到客户端的ack, 将连接加入到全连接队列。
一般，全连接队列比较小，会先满，此时半连接队列还没满。如果这时收到syn报文，则会进入半连接队列，没有问题。但是如果收到了三次握手中的第3步(ACK)，则会根据tcp_abort_on_overflow字段来决定是直接丢弃，还是直接reset。
此时，客户端发送了ACK, 那么客户端认为三次握手完成，它认为服务端已经准备好了接收数据的准备。但此时服务端可能因为全连接队列满了而无法将连接放入，会重新发送第2步的syn+ack, 如果这时有数据到来，服务器TCP模块会将数据存入队列中。一段时间后，client端没收到回复，超时，连接异常，client会主动关闭连接。
