TCP 连接的状态详解以及故障排查

TCP连接的状态详解以及故障排查

我们通过了解TCP各个状态，可以排除和定位网络或系统故障时大有帮助。

1、TCP状态

了解TCP之前，先了解几个命令：

linux查看tcp的状态命令：

1) netstat -nat 查看TCP各个状态的数量
2)lsof  -i:port 可以检测到打开套接字的状况
3) sar -n SOCK 查看tcp创建的连接数
4) tcpdump -iany tcp port 9000 对tcp端口为9000的进行抓包

网络测试常用命令

1）ping:检测网络连接的正常与否,主要是测试延时、抖动、丢包率。

但是很多服务器为了防止攻击，一般会关闭对ping的响应。所以ping一般作为测试连通性使用。

ping命令后，会接收到对方发送的回馈信息，其中记录着对方的IP地址和TTL。TTL是该字段指定IP包被路由器丢弃之前允许通过的最大网段数量。

TTL是IPv4包头的一个8 bit字段。例如IP包在服务器中发送前设置的TTL是64，你使用ping命令后，得到服务器反馈的信息，其中的TTL为56，说明途中一共经过了8道路由器的转发，每经过一个路由，TTL减1。

2）traceroute：raceroute 跟踪数据包到达网络主机所经过的路由工具

traceroute hostname

3）pathping：是一个路由跟踪工具，它将 ping 和 tracert 命令的功能与这两个工具所不提供的其他信息结合起来，综合了二者的功能

pathping www.baidu.com

4）mtr：以结合ping nslookup tracert 来判断网络的相关特性

5) nslookup:用于解析域名，一般用来检测本机的DNS设置是否配置正确。

LISTENING：侦听来自远方的TCP端口的连接请求.
首先服务端需要打开一个socket进行监听，状态为LISTEN。

有提供某种服务才会处于LISTENING状态，TCP状态变化就是某个端口的状态变化，提供一个服务就打开一个端口。

例如：提供www服务默认开的是80端口，提供ftp服务默认的端口为21，当提供的服务没有被连接时就处于LISTENING状态。

FTP服务启动后首先处于侦听（LISTENING）状态。处于侦听LISTENING状态时，该端口是开放的，等待连接，但还没有被连接。就像你房子的门已经敞开的，但还没有人进来。

看LISTENING状态最主要的是看本机开了哪些端口，这些端口都是哪个程序开的，关闭不必要的端口是保证安全的一个非常重要的方面，服务端口都对应一个服务（应用程序），停止该服务就关闭了该端口，例如要关闭21端口只要停止IIS服务中的FTP服务即可。如果你不幸中了服务端口的木马，木马也开个端口处于LISTENING状态。

SYN-SENT：客户端SYN_SENT状态：
再发送连接请求后等待匹配的连接请求:客户端通过应用程序调用connect进行active open.

于是客户端tcp发送一个SYN以请求建立一个连接.之后状态置为SYN_SENT. 

The socket is actively attempting to establish a connection. 在发送连接请求后等待匹配的连接请求 

当请求连接时客户端首先要发送同步信号给要访问的机器，此时状态为SYN_SENT，如果连接成功了就变为ESTABLISHED，正常情况下SYN_SENT状态非常短暂。

例如要访问网站http://www.baidu.com,如果是正常连接的话，用TCPView观察IEXPLORE.EXE（IE）建立的连接会发现很快从SYN_SENT变为ESTABLISHED，表示连接成功。SYN_SENT状态快的也许看不到。

如果发现有很多SYN_SENT出现，那一般有这么几种情况，一是你要访问的网站不存在或线路不好。

二是用扫描软件扫描一个网段的机器，也会出出现很多SYN_SENT，另外就是可能中了病毒了，例如中了”冲击波”，病毒发作时会扫描其它机器，这样会有很多SYN_SENT出现。

SYN-RECEIVED：服务器端状态SYN_RCVD
再收到和发送一个连接请求后等待对方对连接请求的确认
当服务器收到客户端发送的同步信号时，将标志位ACK和SYN置1发送给客户端，此时服务器端处于SYN_RCVD状态，如果连接成功了就变为ESTABLISHED，正常情况下SYN_RCVD状态非常短暂。

如果发现有很多SYN_RCVD状态，那你的机器有可能被SYN Flood的DoS(拒绝服务攻击)攻击了。

SYN Flood的攻击原理是：
在进行三次握手时，攻击软件向被攻击的服务器发送SYN连接请求（握手的第一步），但是这个地址是伪造的，如攻击软件随机伪造了51.133.163.104、65.158.99.152等等地址。

服务器在收到连接请求时将标志位ACK和SYN置1发送给客户端（握手的第二步），但是这些客户端的IP地址都是伪造的，服务器根本找不到客户机，也就是说握手的第三步不可能完成。

这种情况下服务器端一般会重试（再次发送SYN+ACK给客户端）并等待一段时间后丢弃这个未完成的连接，这段时间的长度我们称为SYN Timeout，一般来说这个时间是分钟的数量级（大约为30秒-2分钟）；

一个用户出现异常导致服务器的一个线程等待1分钟并不是什么很大的问题，但如果有一个恶意的攻击者大量模拟这种情况，服务器端将为了维护一个非常大的半连接列表而消耗非常多的资源——数以万计的半连接。

即使是简单的保存并遍历也会消耗非常多的CPU时间和内存，何况还要不断对这个列表中的IP进行SYN+ACK的重试。

此时从正常客户的角度看来，服务器失去响应，这种情况我们称做：服务器端受到了SYN Flood攻击（SYN洪水攻击）

ESTABLISHED：代表一个打开的连接。
ESTABLISHED状态是表示两台机器正在传输数据，观察这个状态最主要的就是看哪个程序正在处于ESTABLISHED状态。

服务器出现很多ESTABLISHED状态：netstat -nat |grep 9502或者使用lsof -i:9502可以检测到。

 

 

 

 

TCP连接建立三次握手

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TCP是一个面向连接的协议，所以在连接双方发送数据之前，都需要首先建立一条连接。

Client连接Server：
当Client端调用socket函数调用时，相当于Client端产生了一个处于Closed状态的套接字。

(1)第一次握手：Client端又调用connect函数调用，系统为Client随机分配一个端口，连同传入connect中的参数(Server的IP和端口)，这就形成了一个连接四元组，客户端发送一个带SYN标志的TCP报文到服务器。

这是三次握手过程中的报文1。connect调用让Client端的socket处于SYN_SENT状态，等待服务器确认；SYN：同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers)。

(2)第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；

(3) 第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1)，此包发送完毕，客户器和客务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。连接已经可以进行读写操作。

一个完整的三次握手也就是：请求—-应答—-再次确认。
TCP协议通过三个报文段完成连接的建立，这个过程称为三次握手(three-way handshake)，过程如下图所示。

对应的函数接口：

2)Server
当Server端调用socket函数调用时，相当于Server端产生了一个处于Closed状态的监听套接字，Server端调用bind操作，将监听套接字与指定的地址和端口关联，然后又调用listen函数，系统会为其分配未完成队列和完成队列，此时的监听套接字可以接受Client的连接，监听套接字状态处于LISTEN状态。

当Server端调用accept操作时，会从完成队列中取出一个已经完成的client连接，同时在server这段会产生一个会话套接字，用于和client端套接字的通信，这个会话套接字的状态是ESTABLISH。

从图中可以看出，当客户端调用connect时，触发了连接请求，向服务器发送了SYN J包，这时connect进入阻塞状态；

服务器监听到连接请求，即收到SYN J包，调用accept函数接收请求向客户端发送SYN K ，ACK J+1，这时accept进入阻塞状态；客户端收到服务器的SYN K ，ACK J+1之后，这时connect返回，并对SYN K进行确认；服务器收到ACK K+1时，accept返回，至此三次握手完毕，连接建立。

我们可以通过网络抓包的查看具体的流程：

比如我们服务器开启9502的端口。使用tcpdump来抓包：tcpdump -iany tcp port 9502

然后我们使用telnet 127.0.0.1 9502开连接:

我们看到 （1）（2）（3）三步是建立tcp：

第一次握手：

14:12:45.104687 IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [S], seq 2927179378
客户端IP localhost.39870 (客户端的端口一般是自动分配的) 向服务器localhost.9502 发送syn包(syn=j)到服务器》

syn的seq=2927179378

第二次握手：

14:12:45.104701 IP localhost.9502 > localhost.39870: Flags [S.], seq 1721825043, ack 2927179379,
服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包
SYN（ack=j+1）=ack 2927179379 服务器主机SYN包（syn=seq 1721825043）

第三次握手：

14:12:45.104711 IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [.], ack 1,
客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1)
客户端和服务器进入ESTABLISHED状态后，可以进行通信数据交互。此时和accept接口没有关系，即使没有accepte，也进行3次握手完成。

连接出现连接不上的问题，一般是网路出现问题或者网卡超负荷或者是连接数已经满啦。

紫色背景的部分：

IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [P.], seq 1:8, ack 1, win 4099, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255474104], length 7
客户端向服务器发送长度为7个字节的数据，

IP localhost.9502 > localhost.39870: Flags [.], ack 8, win 4096, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255478182], length 0
服务器向客户确认已经收到数据

IP localhost.9502 > localhost.39870: Flags [P.], seq 1:19, ack 8, win 4096, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255478182], length 18
然后服务器同时向客户端写入数据。

IP localhost.39870 > localhost.9502: Flags [.], ack 19, win 4097, options [nop,nop,TS val 255478182 ecr 255478182], length 0
客户端向服务器确认已经收到数据

这个就是tcp可靠的连接，每次通信都需要对方来确认。