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tcp三次握手及原理

王朝other·作者佚名  2008-05-31
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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、

报文治理、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拟环境我们假

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 序列号猜测难度有所加大)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。序列号的可猜测性,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。,假如设置了ACK 控制位,这个值表示一个预备接收的包的序

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,从而证实数据的有效性。

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。假如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。假如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

间的可猜测性。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,

预备接收后续数据。

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)。假如检验

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。假如没有找

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) 假如该

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。这时假如有错误发生,会通过标志位来拆除相应

的socket 和释放内存,TCP 连接失败。假如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:假如该分段中的标志为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,非凡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

请注重,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。

假如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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