三次握手

三次握手（three times handshake；three-way handshake）所謂的“三次握手”即對每次傳送的數據量是怎樣跟蹤進行協商使數據段的傳送和接收同步，根據所接收到的數據量而確定的數據確認數及數據傳送、接收完畢後何時撤消聯繫，並建立虛連線。

為了提供可靠的傳送，TCP在傳送新的數據之前，以特定的順序將數據包的序號，並需要這些包傳送給目標機之後的確認訊息。TCP總是用來傳送大批量的數據。當應用程式在收到數據後要做出確認時也要用到TCP。

基本介紹

• 中文名：三次握手
• 外文名：Three-way handshake
• 別稱：TCP握手協定
• 套用學科：計算機傳輸協定
• 適用領域範圍：計算機

過程

第一次

第一次握手：建立連線時，客戶端傳送syn包（syn=j）到伺服器，並進入SYN_SENT狀態，等待伺服器確認；SYN：同步序列編號（Synchronize Sequence Numbers）。

第二次

第二次握手：伺服器收到syn包，必須確認客戶的SYN（ack=j+1），同時自己也傳送一個SYN包（seq=k），即SYN+ACK包，此時伺服器進入SYN_RECV狀態；

第三次

第三次握手：客戶端收到服務器的SYN+ACK包，向伺服器傳送確認包ACK(ack=k+1），此包傳送完畢，客戶端和伺服器進入ESTABLISHED（TCP連線成功）狀態，完成三次握手。

完成三次握手，客戶端與伺服器開始傳送數據，在上述過程中，還有一些重要的概念：

未連線佇列

在三次握手協定中，伺服器維護一個未連線佇列，該佇列為每個客戶端的SYN包（syn=j）開設一個條目，該條目表明伺服器已收到SYN包，並向客戶發出確認，正在等待客戶的確認包。這些條目所標識的連線在伺服器處於 Syn_RECV狀態，當伺服器收到客戶的確認包時，刪除該條目，伺服器進入ESTABLISHED狀態。

Backlog參數

表示核心為相應套接字排隊的最大連線個數。SYN-ACK重傳次數伺服器傳送完SYN－ACK包，如果未收到客戶確認包，伺服器進行首次重傳，等待一段時間仍未收到客戶確認包，進行第二次重傳，如果重傳次數超過系統規定的最大重傳次數，系統將該連線信息從半連線佇列中刪除。注意，每次重傳等待的時間不一定相同。

三次握手協定

《UNIX 網路編程》中指出，關於backlog參數從未有過正式的定義，BSD 4.2手冊中宣稱它的定義是：“the maximum length the queue of pending connections may grow to”，即未處理連線構成的佇列可能增長到的最大長度，POSIX規範也逐字複製該定義。不過這個定義中並沒有明確到底這個連線指的是SYN_RCVD狀態的連線，還是未由進程接受的處於ESTABLISHED狀態的連線，亦或兩者皆可。

不論這個backlog參數到底指的是哪一個，對於伺服器而言，都需要儘快的去處理已經處於ESTABLISHED狀態的連線。而僅僅對於backlog來說，我們需要取一個比較大的值以應對大量的服務請求。

半連線存活時間

是指半連線佇列的條目存活的最長時間，也即服務器從收到SYN包到確認這個報文無效的最長時間，該時間值是所有重傳請求包的最長等待時間總和。有時我們也稱半連線存活時間為Timeout時間、SYN_RECV存活時間。

TCP頭結構

面向連線的TCP三次握手是Syn Flood存在的基礎。

TCP協定頭最少20個位元組，包括以下的區域（由於翻譯不盡相同，文章中給出相應的英文單詞）：

TCP源連線埠(Source Port）：16位的源連線埠其中包含初始化通信的連線埠。源連線埠和源IP地址的作用是標示報文的返回地址。

TCP目的連線埠（Destination port）：16位的目的連線埠域定義傳輸的目的。這個連線埠指明報文接收計算機上的應用程式地址接口。

TCP序列號（序列碼，Sequence Number）：32位的序列號由接收端計算機使用，重新分段的報文成最初形式。當SYN出現，序列碼實際上是初始序列碼（ISN），而第一個數

據位元組是ISN+1。這個序列號（序列碼）是可以補償傳輸中的 不一致。

TCP應答號（Acknowledgment Number）：32位的序列號由接收端計算機使用，重組分段的報文成最初形式。如果設定了ACK控制位，這個值表示一個準備接收的包的序列碼。

數據偏移量（HLEN）：4位包括TCP頭大小，指示何處數據開始。

TCP四次揮手結束連線

保留（Reserved）：6位值域，這些位必須是0。為了將來定義新的用途所保留。

標誌（Code Bits）：6位標誌域。表示為：緊急標誌、有意義的應答標誌、推、重置連線標誌、同步序列號標誌、完成傳送數據標誌。按照順序排列是：URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN。

視窗（Window）：16位，用來表示想收到的每個TCP數據段的大小。

校驗位（Checksum）：16位TCP頭。源機器基於數據內容計算一個數值，收信息機要與源機器數值結果完全一樣，從而證明數據的有效性。

優先指針（緊急，Urgent Pointer）：16位，指向後面是優先數據的位元組，在URG標誌設定了時才有效。如果URG標誌沒有被設定，緊急域作為填充。加快處理標示為緊急的數據段。

選項（Option）：長度不定，但長度必須是一個位元組。如果沒有選項就表示這一個位元組的域等於0。

關閉TCP連線：改進的三次握手

對於一個已經建立的連線，TCP使用改進的三次握手來釋放連線（使用一個帶有FIN附加標記的報文段）。TCP關閉連線的步驟如下：

第一步，當主機A的應用程式通知TCP數據已經傳送完畢時，TCP向主機B傳送一個帶有FIN附加標記的報文段（FIN表示英文finish）。

第二步，主機B收到這個FIN報文段之後，並不立即用FIN報文段回復主機A，而是先向主機A傳送一個確認序號ACK，同時通知自己相應的應用程式：對方要求關閉連線（先傳送ACK的目的是為了防止在這段時間內，對方重傳FIN報文段）。

第三步，主機B的應用程式告訴TCP：我要徹底的關閉連線，TCP向主機A送一個FIN報文段。

第四步，主機A收到這個FIN報文段後，向主機B傳送一個ACK表示連線徹底釋放。

標誌控制

URG：緊急標誌

緊急（The urgent pointer) 標誌有效。緊急標誌置位，

ACK：確認標誌

確認編號（Acknowledgement Number）欄有效。大多數情況下該標誌

位是置位的。TCP報頭內的確認編號欄內包含的確認編號（w+1，Figure：1）為下一個預期的序列編號，同時提示遠端系統已經成功接收所有數據。

TCP三次握手是Syn Flood存在的基礎

PSH：推標誌

該標誌置位時，接收端不將該數據進行佇列處理，而是儘可能快將數據轉由套用處理。在處理 telnet 或 rlogin 等互動模式的連線時，該標誌總是置位的。

RST：復位標誌

復位標誌有效。用於復位相應的TCP連線。

SYN：同步標誌

同步序列編號（Synchronize Sequence Numbers）欄有效。該標誌僅在三次握手建立TCP連線時有效。它提示TCP連線的服務端檢查序列編號，該序列編號為TCP連線初始端（一般是客戶端）的初始序列編號。在這裡，可以把TCP序列編號看作是一個範圍從0到4，294，967，295的32位計數器。通過TCP連線交換的數據中每一個位元組都經過序列編號。在TCP報頭中的序列編號欄包括了TCP分段中第一個位元組的序列編號。

FIN：結束標誌

帶有該標誌置位的數據包用來結束一個TCP回話，但對應連線埠仍處於開放狀態，準備接收後續數據。

服務端處於監聽狀態，客戶端用於建立連線請求的數據包(IP packet）按照TCP/IP協定堆疊組合成為TCP處理的分段（segment）。

分析報頭信息： TCP層接收到相應的TCP和IP報頭，將這些信息存儲到記憶體中。

檢查TCP校驗和（checksum）：標準的校驗和位於分段之中（Figure：2）。如果檢驗失敗，不返回確認，該分段丟棄，並等待客戶端進行重傳。

查找協定控制塊（PCB{})：TCP查找與該連線相關聯的協定控制塊。如果沒有找到，TCP將該分段丟棄並返回RST。（這就是TCP處理沒有連線埠監聽情況下的機制） 如果該協定控制塊存在，但狀態為關閉，服務端不調用connect()或listen()。該分段丟棄，但不返回RST。客戶端會嘗試重新建立連線請求。

建立新的socket：當處於監聽狀態的socket收到該分段時，會建立一個子socket，同時還有socket{}，tcpcb{}和pub{}建立。這時如果有錯誤發生，會通過標誌位來拆除相應的socket和釋放記憶體，TCP連線失敗。如果快取佇列處於填滿狀態，TCP認為有錯誤發生，所有的後續連線請求會被拒絕。這裡可以看出SYN Flood攻擊是如何起作用的。

丟棄：如果該分段中的標誌為RST或ACK，或者沒有SYN標誌，則該分段丟棄。並釋放相應的記憶體。

數據傳輸

傳送序列變數 SND.UNA ：傳送未確認

SND.NXT ：傳送下一個

SND.WND ：傳送視窗

SND.UP ：傳送優先指針

SND.WL1 ：用於最後視窗更新的段序列號

SND.WL2 ：用於最後視窗更新的段確認號

ISS ：初始傳送序列號

三次握手

接收序列號

RCV.NXT ：接收下一個

RCV.WND ：接收下一個

RCV.UP ：接收優先指針

IRS ：初始接收序列號

當前段變數

SEG.SEQ ：段序列號

SEG.ACK ：段確認標記

SEG.LEN ：段長

SEG.WND ：段視窗

SEG.UP ：段緊急指針

SEG.PRC ：段優先權

CLOSED表示沒有連線，各個狀態的意義如下：

LISTEN ：監聽來自遠方TCP連線埠的連線請求。

SYN-SENT ：在傳送連線請求後等待匹配的連線請求。

SYN-RECEⅣED ：在收到和傳送一個連線請求後等待對連線請求的確認。

ESTABLISHED ：代表一個打開的連線，數據可以傳送給用戶。

FIN-WAIT-1 ：等待遠程TCP的連線中斷請求，或先前的連線中斷請求的確認。

FIN-WAIT-2 ：從遠程TCP等待連線中斷請求。

CLOSE-WAIT ：等待從本地用戶發來的連線中斷請求。

CLOSING ：等待遠程TCP對連線中斷的確認。

LAST-ACK ：等待原來發向遠程TCP的連線中斷請求的確認。

TIME-WAIT ：等待足夠的時間以確保遠程TCP接收到連線中斷請求的確認。

CLOSED ：沒有任何連線狀態。

TCP連線過程是狀態的轉換，促使發生狀態轉換的是用戶調用：OPEN，SEND，RECEⅣE，CLOSE，ABORT和STATUS。傳送過來的數據段，特別那些包括以下標記的數據段SYN，ACK，RST和FIN。還有逾時，上面所說的都會時TCP狀態發生變化。

序列標識

序列號

在TCP連線中傳送的位元組都有一個序列號。因為編了號，所以可以確認它們的收到。對序列號的確認是累積性的。TCP必須進行的序列號比較操作種類包括以下幾種：

①決定一些傳送了的但未確認的序列號。

②決定所有的序列號都已經收到了。

③決定下一個段中應該包括的序列號。

對於傳送的數據TCP要接收確認，確認時必須進行的：

SND.UNA = 最老的確認了的序列號。

SND.NXT = 下一個要傳送的序列號。

SEG.ACK = 接收TCP的確認，接收TCP期待的下一個序列號。

三次握手數據

SEG.SEQ = 一個數據段的第一個序列號。

SEG.LEN = 數據段中包括的位元組數。

SEG.SEQ+SEG.LEN-1 = 數據段的最後一個序列號。

如果一個數據段的序列號小於等於確認號的值，那么整個數據段就被確認了。而在接收數據時下面的比較操作是必須的：

RCV.NXT = 期待的序列號和接收視窗的最低沿。

RCV.NXT+RCV.WND：1 = 最後一個序列號和接收視窗的最高沿。

SEG.SEQ = 接收到的第一個序列號。

SEG.SEQ+SEG.LEN：1 = 接收到的最後一個序列號。

基於三次握手的SYN洪水攻擊

基本原理

建設一個小型的模仿環境假設有3台接入網際網路的機器。A為攻擊者操縱的攻擊機。B為中介跳板機器（受信任的伺服器）。C為受害者使用的機器（多是伺服器），這裡把C機器鎖定為目標機器。A機器向B機器傳送SYN包，請求建立連線，這時已經回響請求的B機器會向A機器回應SYN/ACK表明同意建立連線，當A機器接受到B機器傳送的SYN/ACK回應時，傳送應答ACK建立A機器與B機器的網路連線。這樣一個兩台機器之間的TCP通話信道就建立成功了。

三次握手協定

B終端受信任的伺服器向C機器發起TCP連線，A機器對伺服器C發起SYN信息，使C機器不能回響B機器。在同時A機器也向B機器傳送虛假的C機器回應的SYN數據包，接收到SYN數據包的B機器（被C機器信任）開始傳送應答連線建立的SYN/ACK數據包，這時C機器正在忙於回響以前傳送的SYN數據而無暇回應B機器，A機器的攻擊者預測出B機器包的序列號（TCP序列號預測難度有些大）假冒C機器向B機器傳送應答ACK這時攻擊者騙取B機器的信任，假冒C機器與B機器建立起TCP協定的對話連線。這個時候的C機器還是在回響攻擊者A機器傳送的SYN數據。

TCP協定棧的弱點

TCP連線的資源消耗，其中包括：數據包信息、條件狀態、序列號等。通過故意不完成建立連線所需要的三次握手過程，造成連線一方的資源耗盡。

通過攻擊者有意的不完成建立連線所需要的三次握手的全過程，從而造成了C機器的資源耗盡。序列號的可預測性，目標主機應答連線請求時返回的SYN/ACK的序列號時可預測的。