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tcp三次握手及原理

时间:2005-09-22 来源: 作者: 点击:
TCP/IP 是很多的不同的协议组成,实际上是一个协议组,TCP 用户数据报表协议(也 称作TCP 传输控制协议,Transport Control Protocol。可靠的主机到主机层协议。这里要先 强调一下,传输控制协议是OSI 网络的第四层的叫法,TCP 传输控制协议是TCP/IP 传输的 6 个基本协
  

TCP/IP 是很多的不同的协议组成,实际上是一个协议组,TCP 用户数据报表协议(也
称作TCP 传输控制协议,Transport Control Protocol。可靠的主机到主机层协议。这里要先
强调一下,传输控制协议是OSI 网络的第四层的叫法,TCP 传输控制协议是TCP/IP 传输的
6 个基本协议的一种。两个TCP 意思非相同。)。TCP 是一种可靠的面向连接的传送服务。
它在传送数据时是分段进行的,主机交换数据必须建立一个会话。它用比特流通信,即数据
被作为无结构的字节流。通过每个TCP 传输的字段指定顺序号,以获得可靠性。是在OSI
参考模型中的第四层,TCP 是使用IP 的网间互联功能而提供可靠的数据传输,IP 不停的把
报文放到网络上,而TCP 是负责确信报文到达。在协同IP 的操作中TCP 负责:握手过程、
报文管理、流量控制、错误检测和处理(控制),可以根据一定的编号顺序对非正常顺序的
报文给予从新排列顺序。关于TCP 的RFC 文档有RFC793、RFC791、RFC1700。
在TCP 会话初期,有所谓的“三握手”:对每次发送的数据量是怎样跟踪进行协商使
数据段的发送和接收同步,根据所接收到的数据量而确定的数据确认数及数据发送、接收完
毕后何时撤消联系,并建立虚连接。为了提供可靠的传送,TCP 在发送新的数据之前,以
特定的顺序将数据包的序号,并需要这些包传送给目标机之后的确认消息。TCP 总是用来
发送大批量的数据。当应用程序在收到数据后要做出确认时也要用到TCP。由于TCP 需要
时刻跟踪,这需要额外开销,使得TCP 的格式有些显得复杂。下面就让我们看一个TCP 的
经典案例,这是后来被称为MITNICK 攻击中KEVIN 开创了两种攻击技术:
TCP 会话劫持
SYN FLOOD(同步洪流)
在这里我们讨论的时TCP 会话劫持的问题。
先让我们明白TCP 建立连接的基本简单的过程。为了建设一个小型的模仿环境我们假
设有3 台接入互联网的机器。A 为攻击者操纵的攻击机。B 为中介跳板机器(受信任的服务
器)。C 为受害者使用的机器(多是服务器),这里把C 机器锁定为目标机器。A 机器向B
机器发送SYN 包,请求建立连接,这时已经响应请求的B 机器会向A 机器回应SYN/ACK
表明同意建立连接,当A 机器接受到B 机器发送的SYN/ACK 回应时,发送应答ACK 建立
A 机器与B 机器的网络连接。这样一个两台机器之间的TCP 通话信道就建立成功了。
B 终端受信任的服务器向C 机器发起TCP 连接,A 机器对服务器发起SYN 信息,使
C 机器不能响应B 机器。在同时A 机器也向B 机器发送虚假的C 机器回应的SYN 数据包,
接收到SYN 数据包的B 机器(被C 机器信任)开始发送应答连接建立的SYN/ACK 数据包,
这时C 机器正在忙于响应以前发送的SYN 数据而无暇回应B 机器,而A 机器的攻击者预
测出B 机器包的序列号(现在的TCP 序列号预测难度有所加大)假冒C 机器向B 机器发送
应答ACK 这时攻击者骗取B 机器的信任,假冒C 机器与B 机器建立起TCP 协议的对话连
接。这个时候的C 机器还是在响应攻击者A 机器发送的SYN 数据。
TCP 协议栈的弱点:TCP 连接的资源消耗,其中包括:数据包信息、条件状态、序列
号等。通过故意不完成建立连接所需要的三次握手过程,造成连接一方的资源耗尽。
通过攻击者有意的不完成建立连接所需要的三次握手的全过程,从而造成了C 机器的
资源耗尽。序列号的可预测性,目标主机应答连接请求时返回的SYN/ACK 的序列号时可预
测的。(早期TCP 协议栈,具体的可以参见1981 年出的关于TCP 雏形的RFC793 文档)
TCP 头结构
TCP 协议头最少20 个字节,包括以下的区域(由于翻译不禁相同,文章中给出
相应的英文单词):
TCP 源端口(Source Port):16 位的源端口其中包含初始化通信的端口。源端口和
源IP 地址的作用是标示报问的返回地址。
TCP 目的端口(Destination port):16 位的目的端口域定义传输的目的。这个端口指
明报文接收计算机上的应用程序地址接口。
TCP 序列号(序列码,Sequence Number):32 位的序列号由接收端计算机使用,重
新分段的报文成最初形式。当SYN 出现,序列码实际上是初始序列码(ISN),而第一个数
据字节是ISN+1。这个序列号(序列码)是可以补偿传输中的不一致。
TCP 应答号(Acknowledgment Number):32 位的序列号由接收端计算机使用,重
组分段的报文成最初形式。,如果设置了ACK 控制位,这个值表示一个准备接收的包的序
列码。
数据偏移量(HLEN):4 位包括TCP 头大小,指示何处数据开始。
保留(Reserved):6 位值域,这些位必须是0。为了将来定义新的用途所保留。
标志(Code Bits):6 位标志域。表示为:紧急标志、有意义的应答标志、推、重置
连接标志、同步序列号标志、完成发送数据标志。按照顺序排列是:URG、ACK、PSH、
RST、SYN、FIN。
窗口(Window):16 位,用来表示想收到的每个TCP 数据段的大小。
校验位(Checksum):16 位TCP 头。源机器基于数据内容计算一个数值,收信息机
要与源机器数值结果完全一样,从而证明数据的有效性。
优先指针(紧急,Urgent Pointer):16 位,指向后面是优先数据的字节,在URG
标志设置了时才有效。如果URG 标志没有被设置,紧急域作为填充。加快处理标示为紧急
的数据段。
选项(Option):长度不定,但长度必须以字节。如果没有选项就表示这个一字节
的域等于0。
填充:不定长,填充的内容必须为0,它是为了数学目的而存在。目的是确保空
间的可预测性。保证包头的结合和数据的开始处偏移量能够被32 整除,一般额外的零以保
证TCP 头是32 位的整数倍。
标志控制功能
URG:紧急标志
紧急(The urgent pointer) 标志有效。紧急标志置位,
ACK:确认标志
确认编号(Acknowledgement Number)栏有效。大多数情况下该标志位是置位的。
TCP 报头内的确认编号栏内包含的确认编号(w+1,Figure:1)为下一个预期的序列编号,同
时提示远端系统已经成功接收所有数据。
PSH:推标志
该标志置位时,接收端不将该数据进行队列处理,而是尽可能快将数据转由应用
处理。在处理telnet 或rlogin 等交互模式的连接时,该标志总是置位的。
RST:复位标志
复位标志有效。用于复位相应的TCP 连接。
SYN:同步标志
同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers)栏有效。该标志仅在三次握手建立
TCP 连接时有效。它提示TCP 连接的服务端检查序列编号,该序列编号为TCP 连接初始端
(一般是客户端)的初始序列编号。在这里,可以把TCP 序列编号看作是一个范围从0 到4,
294,967,295 的32 位计数器。通过TCP 连接交换的数据中每一个字节都经过序列编号。
在TCP 报头中的序列编号栏包括了TCP 分段中第一个字节的序列编号。
FIN:结束标志
带有该标志置位的数据包用来结束一个TCP 回话,但对应端口仍处于开放状态,
准备接收后续数据。
服务端处于监听状态,客户端用于建立连接请求的数据包(IP packet)按照TCP/IP
协议堆栈组合成为TCP 处理的分段(segment)。
分析报头信息: TCP 层接收到相应的TCP 和IP 报头,将这些信息存储到内存中。
检查TCP 校验和(checksum):标准的校验和位于分段之中(Figure:2)。如果检验
失败,不返回确认,该分段丢弃,并等待客户端进行重传。
查找协议控制块(PCB{}):TCP 查找与该连接相关联的协议控制块。如果没有找
到,TCP 将该分段丢弃并返回RST。(这就是TCP 处理没有端口监听情况下的机制) 如果该
协议控制块存在,但状态为关闭,服务端不调用connect()或listen()。该分段丢弃,但不返
回RST。客户端会尝试重新建立连接请求。
建立新的socket:当处于监听状态的socket 收到该分段时,会建立一个子socket,
同时还有socket{},tcpcb{}和pub{}建立。这时如果有错误发生,会通过标志位来拆除相应
的socket 和释放内存,TCP 连接失败。如果缓存队列处于填满状态,TCP 认为有错误发生,
所有的后续连接请求会被拒绝。这里可以看出SYN Flood 攻击是如何起作用的。
丢弃:如果该分段中的标志为RST 或ACK,或者没有SYN 标志,则该分段丢弃。
并释放相应的内存。
发送序列变量
SND.UNA : 发送未确认
SND.NXT : 发送下一个
SND.WND : 发送窗口
SND.UP : 发送优先指针
SND.WL1 : 用于最后窗口更新的段序列号
SND.WL2 : 用于最后窗口更新的段确认号
ISS : 初始发送序列号
接收序列号
RCV.NXT : 接收下一个
RCV.WND : 接收下一个
RCV.UP : 接收优先指针
IRS : 初始接收序列号
当前段变量
SEG.SEQ : 段序列号
SEG.ACK : 段确认标记
SEG.LEN : 段长
SEG.WND : 段窗口
SEG.UP : 段紧急指针
SEG.PRC : 段优先级
CLOSED 表示没有连接,各个状态的意义如下:
LISTEN : 监听来自远方TCP 端口的连接请求。
SYN-SENT : 在发送连接请求后等待匹配的连接请求。
SYN-RECEIVED : 在收到和发送一个连接请求后等待对连接请求的确认。
ESTABLISHED : 代表一个打开的连接,数据可以传送给用户。
FIN-WAIT-1 : 等待远程TCP 的连接中断请求,或先前的连接中断请求的确认。
FIN-WAIT-2 : 从远程TCP 等待连接中断请求。
CLOSE-WAIT : 等待从本地用户发来的连接中断请求。
CLOSING : 等待远程TCP 对连接中断的确认。
LAST-ACK : 等待原来发向远程TCP 的连接中断请求的确认。
TIME-WAIT : 等待足够的时间以确保远程TCP 接收到连接中断请求的确认。
CLOSED : 没有任何连接状态。
TCP 连接过程是状态的转换,促使发生状态转换的是用户调用:OPEN,SEND,
RECEIVE,CLOSE,ABORT 和STATUS。传送过来的数据段,特别那些包括以下标记的数
据段SYN,ACK,RST 和FIN。还有超时,上面所说的都会时TCP 状态发生变化。
序列号
请注意,我们在TCP 连接中发送的字节都有一个序列号。因为编了号,所以可以
确认它们的收到。对序列号的确认是累积性的。TCP 必须进行的序列号比较操作种类包括
以下几种:
①决定一些发送了的但未确认的序列号。
②决定所有的序列号都已经收到了。
③决定下一个段中应该包括的序列号。
对于发送的数据TCP 要接收确认,确认时必须进行的:
SND.UNA = 最老的确认了的序列号。
SND.NXT = 下一个要发送的序列号。
SEG.ACK = 接收TCP 的确认,接收TCP 期待的下一个序列号。
SEG.SEQ = 一个数据段的第一个序列号。
SEG.LEN = 数据段中包括的字节数。
SEG.SEQ+SEG.LEN-1 = 数据段的最后一个序列号。
如果一个数据段的序列号小于等于确认号的值,那么整个数据段就被确认了。而
在接收数据时下面的比较操作是必须的:
RCV.NXT = 期待的序列号和接收窗口的最低沿。
RCV.NXT+RCV.WND:1 = 最后一个序列号和接收窗口的最高沿。
SEG.SEQ = 接收到的第一个序列号。
SEG.SEQ+SEG.LEN:1 = 接收到的最后一个序列号。

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