Как именно устроены session и cookies?
1. Нет никакой синхронизации. Сервер может только указать клиенту, что ему нужно установить куку X в значение Y хэдером Set-Cookie и считать с пришедшего на сервер запроса куки (все куки отправляются в каждом запросе на сервер).
2. Сессии могут храниться на клиенте (signed cookie session). При этом используется подпись куки с помощью HMAC, чтобы данные сессии не могли быть свободно изменены клиентом. Но обычно сессии хранятся на сервере. Тут выбор огромный: от баз данных и key-value хранилищ (Redis, например) до простых файлов. При этом, клиенту посылается кука ID сессии (так сервер идентифицирует юзера), которую злоумышленник может стащить. Таким кукам, дабы защитить юзеров от XSS, ставится флаг HttpOnly, который советует браузеру не давать эту куку скриптам вроде JS. В этом случае, стащить куку получится только завладев браузером, файловой системой юзера или через багу браузера.
3. Смотри второй ответ. В некоторых случаях - да. Но редко.
4. Можно передавать значение session id в строке URL (GET - параметром), вроде такого: example.com/some/page/?session_id=2af26905dcf31a1d... Некоторые сервисы используют это, как fallback вариант, однако, он очень небезопасен, т.к. любой XSS или простой безобидный JS вроде Яндекс.Метрика видит весь URL. Так что, посылаем юзера включать куки.
Cookies - файл на клиенте хранящий какие-то данные в виде ключ-знавение и передающиеся в заголовке https запроса
На клиенте хранится идентификатор сессии по которому на сервере получаются данные о клиенте