TCP

TCP / IP:

  1. Transmission Control Protocol (TCP): is responsible for data delivery once that IP address has been found.
  2. Internet Protocol (IP): is the part that obtains the address to which data is sent.

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TCP decides the way to send; IP decide location to send.

TCP 幾個特點：

  1. 面向連接協議（connection-oriented）
  2. 具有可靠性

TCP segment structure

  1. Source Port Address: 傳送來源
  2. Destination Port Address: 傳送對象
  3. Sequence Number: 序列號一串數字，用來表明接收後封包的重組順序
  4. Acknowledgment Number: 確認號碼，告知接收者期待下次要接收的信息，也就是告知接收的狀態如何
  5. Header Length (HLEN): 標頭長度
  6. Control flags: 包含六個1 bit長度的信息，用於控制connection建立、終止、中斷、流的控制、傳輸模式等
    1. URG: Urgent pointer is valid
    2. ACK: Acknowledgment number is valid (used in case of cumulative acknowledgment)
    3. PSH: Request for push
    4. RST: Reset the connection
    5. SYN: Synchronize sequence numbers
    6. FIN: Terminate the connection
  7. Window size: 傳送的TCP視窗（窗口）大小
  8. Checksum: 用於錯誤控制的檢驗值，此值在TCP是必須的，但在UDP非必要存在
  9. Urgent pointer: 僅當URG控制標誌存在而使用，用於指示需求最早傳送的數據

Protocol operation

【TCP State】

State Subject Desc
LISTEN server 等待（監聽）連線的TCP與端口
SYN-SENT client 發送連線請求（request）後並等待連線響應
SYN-RECEIVED server 連線確認
ESTABLISHED both server and client 連線成功並開啟狀態，可以互相傳送數據
FIN-WAIT-1 both server and client 等待終止連線的請求（from remote TCP & previous request）
FIN-WAIT-2 both server and client 等待終止連線的請求（from remote TCP）
CLOSE-WAIT both server and client 等待終止連線的確認（from local user）
CLOSING both server and client 等待終止連線的確認（from remote TCP）
LAST-ACK both server and client 最後終止連線的確認
TIME-WAIT either server or client 等待足夠的時候以獲得連線終止請求與確認的響應
CLOSED both server and client 無任何連線


【Connection establishment】

三次握手建立連接

過程：

首先 B 处于 LISTEN（监听）状态，等待客户的连接请求。

  1. A 向 B 发送连接请求报文，SYN=1，ACK=0，选择一个初始的序号 x。
  2. B 收到连接请求报文，如果同意建立连接，则向 A 发送连接确认报文，SYN=1，ACK=1，确认号为 x+1，同时也选择一个初始的序号 y。
  3. A 收到 B 的连接确认报文后，还要向 B 发出确认，确认号为 y+1，序号为 x+1。

B 收到 A 的确认后，连接建立。

原因：

  1. 為了保證正確的連線傳送到server，避免錯誤的連線請求的後果
  2. 每次握手都會確認對方是否正確響應，也會表明自己狀態正常
  3. 只有三次最低限度才能保證連線是正確無誤的


【Connection termination】

四次揮手關閉連接

過程：

  1. 客户端发送一个 FIN 段，并包含一个希望接收者看到的自己当前的序列号 K. 同时还包含一个 ACK 表示确认对方最近一次发过来的数据。
  2. 服务端将 K 值加 1 作为 ACK 序号值，表明收到了上一个包。这时上层的应用程序会被告知另一端发起了关闭操作，通常这将引起应用程序发起自己的关闭操作。
  3. 服务端发起自己的 FIN 段，ACK=K+1, Seq=L。
  4. 客户端确认。进入 TIME-WAIT 状态，等待 2 MSL（最大报文存活时间）后释放连接。ACK=L+1。

原因：

  1. 在連線狀態時只要成功後，都可以同時向對方互相傳送數據，但是當一方要關閉連接時，需要雙方的互相確認
  2. 一方先發起信息告知要關閉了，但是另一方仍可以繼續傳送數據（可能數據尚未傳送完畢）
  3. 等待數據傳送都結束時，傳送端會發送FIN標誌來關閉連接，接收端發送ACK確認關閉連接


【TIME_WAIT】

當收到server FIN標誌後會進入此狀態，而不是直接終止（CLOSED），有以下理由：

  1. 確保最後一個確認報文能夠正確送達，若在一定時間內都沒有收到確認報文，那麼將會重新發送請求報文
  2. 為了將本連接內的所有數據、報文全部處理完畢，並在網絡上清零，使下次全新的連接不會有上次連線的干擾

TCP Sequence and Acknowledgement

TCP Flow Control

to avoid buffer overflow

TCP Window Control

TCP Retransmission

Vulnerabilities

  1. Denial of service: 通過發送錯誤或是欺騙性的標誌來消耗、攻擊系統
  2. Connection hijacking: 竊聽、劫持TCP連線，並獲得永久連接的控制
  3. TCP veto: 竊聽TCP連線，但不會破壞中止現有連接

UDP

User Datagram Protocol (UDP):

  1. 沒有握手的流程，與不保存UDP發送消息的狀態特性，因此具有不可靠性
  2. 它是無狀態、無重傳延遲，因此適合串流應用
  3. 適用於不需要在程序執行中進行錯誤檢測與糾錯的目的，達到減少開銷的效能

Compare

  1. TCP是面向連接的協議，而UDP是無連接協議。
  2. TCP的速度較慢，而UDP的速度較快
  3. TCP使用SYN，SYN-ACK，ACK等握手協議，而UDP不使用握手協議
  4. TCP執行錯誤檢查並進行錯誤恢復，另一方面，UDP執行錯誤檢查，但會丟棄錯誤的數據包。
  5. TCP具有確認段，但是UDP沒有任何確認段。
  6. TCP是重量級的，而UDP是輕量級的。
TCP UDP
Reliable Unreliable
Sequenced Unsequenced
Connection-oriented Connectionless
Virtual circuit Low Overhead
Acknowledgement No Acknowledgement
Window flow control No any type control

Reference

Wiki:

TCP:

TCP segment structure:

Protocol operation:

Compare:

Interview: