你以为你了解TCP协议?这些你可能不知道的细节才是关键!

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简介: 【6月更文挑战第1天】这篇文章探讨了TCP协议的深入细节,包括SYN/FIN包为何消耗序列号以确保连接可靠性,半连接队列和SYN Flood攻击的概念及其防御策略。此外,文章还介绍了TCP Fast Open(TFO)技术,它通过减少握手次数提升连接速度和安全性。最后,文章讨论了TCP时间戳的作用,它用于精确计算往返时延和防止序列号回绕问题。通过理解这些概念,读者能更好地掌握TCP协议并应对相关面试。

引言

在之前的内容中,我们已经详细讲解了TCP面试中最常见的问题,如三次握手和四次挥手等。而今天,我们将继续深入探讨TCP协议的其他方面,比如序列号和TCP Fast Open(TFO)等重要细节问题。这些内容将为你在面试中提供更全面的知识储备。

为什么 SYN/FIN 不包含数据却要消耗⼀个序列号?

SYN/FIN 是 TCP 协议中的标志位,用于建立和关闭连接。它们不包含数据,但需要消耗一个序列号的原因是为了保持 TCP 连接的可靠性。

在 TCP 连接建立时,客户端发送 SYN 包给服务器端,服务器端接收到后发送 SYN+ACK 包给客户端,最后客户端发送 ACK 包确认连接建立。这个过程中,每个包都需要有一个序列号来标识数据的顺序和确认接收。

类似地,在 TCP 连接关闭时,FIN 包被用来表示一端希望关闭连接。发送 FIN 包的一端会等待对方发送 ACK 包来确认关闭,然后再发送 ACK 包进行最终确认。同样,这个过程中的每个包都需要有一个序列号。

通过使用序列号,TCP 协议可以保证数据的可靠传输,确保数据按照正确的顺序到达目标。因此,即使 SYN/FIN 包本身不携带数据,它们仍然需要消耗一个序列号来维护连接的可靠性。

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如果在建立或关闭TCP连接时不发送序列号,将会导致连接的可靠性和数据的顺序无法保证。

在建立连接时,发送方的SYN包没有序列号,接收方无法准确地判断数据包的顺序。这可能导致接收方无法正确地响应SYN+ACK包,从而导致连接无法建立。

在关闭连接时,如果不发送序列号,接收方无法准确地确认关闭请求,并且无法确定关闭顺序。这可能导致连接无法成功关闭,或者导致数据丢失或混乱。

什么是半连接队列?什么是SYN Flood攻击?

半连接队列(Half-open connection queue)是指TCP服务器在处理连接请求时,当收到客户端发送的SYN包(同步包)时,会将该连接请求添加到半连接队列中。半连接队列中保存了已收到SYN包但还未完成三次握手的连接请求。

SYN Flood攻击是一种网络攻击方式,它利用TCP协议的漏洞,大量地向目标服务器发送伪造的SYN包,使服务器的半连接队列被耗尽。当服务器的半连接队列被耗尽后,正常的连接请求无法得到处理,导致服务不可用。

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在SYN Flood攻击中,攻击者发送大量的伪造源IP地址的SYN包给目标服务器,但攻击者并不真正完成三次握手建立连接,而是让服务器一直等待,从而消耗服务器的资源。由于服务器需要为每个未完成的连接请求分配一些资源,当半连接队列被耗尽时,服务器将无法处理正常的连接请求,导致服务崩溃或变得不可用。

为了防止SYN Flood攻击,服务器可以采取一些防御措施,例如使用防火墙过滤掉伪造源IP的SYN包、增加半连接队列的大小、限制每个IP地址的连接请求数量等。这些措施可以帮助服务器抵御SYN Flood攻击并保持正常的服务运行。

说说TCP快速打开(TFO)的原理

在TCP快速打开(TFO)中,服务器端在收到客户端的初始连接请求(SYN包)时,会生成一个cookie,并将该cookie携带在返回给客户端的SYN-ACK包中。客户端收到SYN-ACK包后,会将服务器返回的cookie缓存在本地。

以下是第一次请求获取cookie值的全过程图:

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在后续的连接请求中,客户端可以利用缓存的cookie直接发送给服务器,从而减少握手次数。以下是使用缓存的cookie值开始快速传输数据的流程图示例:

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TCP Fast Open的优势

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快速打开(TFO)在TCP协议中的一个最显著的优点是可以利用握手去除一个往返 RTT。当服务器收到带有TFO cookie的连接请求时,可以直接使用该cookie进行验证,而无需进行完整的三次握手过程。这样可以极大地减少了连接建立的时间,提高了网络性能和响应速度。

此外,TFO还可以有效地防止SYN-Flood攻击等恶意行为。通过使用TFO技术,服务器可以在接收到带有TFO cookie的连接请求时,直接验证cookie,并将请求放入半连接队列,而不会消耗服务器资源进行完整的三次握手。这样可以有效地减轻服务器的负载,并且只有合法的连接请求才能通过验证,从而防止了SYN-Flood攻击等恶意攻击。

TCP报文中的时间戳有什么作用?

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TCP Timestamps Option是由四个主要部分构成的。这四个部分分别是类别(kind)、长度(Length)、发送方时间戳(TS value)和回显时间戳(TS Echo Reply)。其中,发送方时间戳和回显时间戳被认为是该选项中最重要的两个字段。

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TCP 的时间戳主要解决两大问题

计算往返时延 RTT(Round-Trip Time)

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在启用Timestamps选项之后,由于ACK包中包含了TSval和TSecr,因此无论是正常的确认包还是重传的确认包,都可以通过这两个值来计算出往返时间(RTT)。这样一来,我们可以更准确地估算网络的延迟情况。

防止序列号的回绕问题

TCP的序列号使用32位来表示,因此在传输了2^32字节的数据之后,序列号会发生溢出并重新开始计数。为了解决这个问题,TCP引入了窗口缩放选项,可以将窗口大小最大扩展到1GB(2^30),这样在高速网络中,序列号可以在很短的时间内被重复使用,从而更好地支持高速数据传输。

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假设我们发送了6个数据包,每个数据包的大小为1GB。在这个过程中,由于序列号的回绕,第5个包的序列号与前面要发送的包序列号完全相同。同时,第2个包由于某些原因延迟导致需要进行重传,直到时间t7才到达。如果没有一些措施进行区分,这个阻塞数据包会导致数据的紊乱。

然而,由于存在Timestamps,我们可以通过TSval和TSecr来区分阻塞数据包与第6个包。通过比较这两个值,我们可以确定数据包的先后顺序,从而避免数据的混乱。因此,Timestamps的存在对于解决这种情况非常重要。

总结

通过本文的讨论,我们对TCP协议的一些重要细节有了更深入的了解。首先,我们了解到为什么SYN/FIN包需要消耗一个序列号,这是为了保证TCP连接的可靠性和数据的顺序。其次,我们探讨了半连接队列和SYN Flood攻击,了解了它们在TCP连接建立和安全性方面的作用。然后,我们学习了TCP快速打开(TFO)的原理和优势,它可以减少连接建立时间,并有效防止恶意攻击。最后,我们了解了TCP报文中的时间戳的作用,它可以帮助计算往返时延和解决序列号回绕问题。通过对这些细节的了解,我们可以更好地理解和应用TCP协议,提高网络性能和安全性。

以上只是一篇关于TCP协议的面试文章的一小部分内容。后续将会提供更多有针对性的面试题,以深入探讨TCP协议的相关细节。

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