動(dòng)手學(xué)習(xí)TCP：TCP連接建立與終止，它是一個(gè)面向連接的協(xié)議

TCP是一個(gè)面向連接的協(xié)議，任何一方在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，都必須先在雙方之間建立一條連接。所以，本文就主要看看TCP連接的建立和終止。

在開始介紹TCP連接之前，先來看看TCP數(shù)據(jù)包的首部，首部里面有很多重要的字段，在我們實(shí)現(xiàn)程序的時(shí)候需要進(jìn)行設(shè)置。

TCP的首部

在OSI七層模型中，上層的數(shù)據(jù)包都會(huì)作為下層數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)部分（payload）。

也就是說，當(dāng)構(gòu)造TCP數(shù)據(jù)包的時(shí)候，會(huì)把應(yīng)用層的數(shù)據(jù)包作為TCP包的數(shù)據(jù)部分，然后加上TCP頭構(gòu)成TCP數(shù)據(jù)包；同樣，當(dāng)構(gòu)造IP數(shù)據(jù)包的時(shí)候，整個(gè)TCP包就會(huì)被當(dāng)作數(shù)據(jù)部分，然后加上IP頭構(gòu)成IP數(shù)據(jù)包。

TCP頭的數(shù)據(jù)格式如下，在不包括可選字段的情況下，一般TCP頭會(huì)占用20個(gè)字節(jié)。

在TCP首部中，有幾個(gè)字段是需要關(guān)注一下：

在TCP首部中沒有源和目標(biāo)的IP、MAC地址（IP和MAC地址分別是網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層首部的信息），只有源和目標(biāo)的端口

Sequence Number是包的序號，網(wǎng)絡(luò)層（IP層）的傳輸是不可靠的，可能產(chǎn)生包亂序，所以這個(gè)需要可以解決網(wǎng)絡(luò)包亂序的問題

Acknowledgement Number用來確認(rèn)收到數(shù)據(jù)包的確認(rèn)序號，為TCP的傳輸提供了可靠性保證

TCP Flags包括了8個(gè)bit，通過對這些bit的設(shè)置，可以代表不同類型的TCP數(shù)據(jù)包

下面就看看TCP連接的建立和終止。

TCP連接建立

TCP連接建立的過程被稱為三次握手過程：

連接建立發(fā)起端發(fā)送[SYN]包，該端將主動(dòng)打開（active open）

接收端將發(fā)送[SYN, ACK]包，該端將被動(dòng)打開（passive open），ACK標(biāo)志表示對收到的[SYN]包的確認(rèn)

連接建立發(fā)起端發(fā)送[ACK]包確認(rèn)[SYN, ACK]包

Initial Sequence Number

連接建立過程中，一個(gè)重要的工作就是初始化Sequence Number，通信的雙方在建立連接的過程中互相通知對方自己的初始Sequence Number（ISN：Initial Sequence Number）。ISN不是固定的，ISN跟時(shí)鐘綁定，根據(jù)特定的間隔自增，直到超過2^32，又從0開始。

SYN全稱就是Synchronize Sequence Number，通過seq序號，TCP就可以保證數(shù)據(jù)包的順序；通過ack序號，TCP就有了可靠性。

連接建立注意點(diǎn)

在建立TCP連接的過程中，有以下兩點(diǎn)需要注意一下：

[SYN]標(biāo)志的數(shù)據(jù)包會(huì)使用消耗一個(gè)序號，所以對端的確認(rèn)號（ack）是當(dāng)前序號（seq）加一

當(dāng)被動(dòng)打開端發(fā)送[ACK]確認(rèn)包的時(shí)候，同時(shí)設(shè)置了[SYN]標(biāo)志，所以TCP連接建立的過程只需要三次握手，而不是四次

TCP連接終止

TCP連接終止的過程被稱為四次揮手過程，以下圖為例：

連接終止端（client）發(fā)送[FIN, ACK] 包，關(guān)閉client到server方向的數(shù)據(jù)發(fā)送通路

server端發(fā)送[ACK]包來確認(rèn)來自client的[FIN, ACK] 包

server端發(fā)送[FIN, ACK] 包，關(guān)閉server到client方向的數(shù)據(jù)發(fā)送通路

client端發(fā)送[ACK]包來確認(rèn)來自server的[FIN, ACK] 包，到此TCP連接關(guān)閉

連接終止注意點(diǎn)

在建立TCP連接的過程中，有以下兩點(diǎn)需要注意一下：

[FIN]標(biāo)志的數(shù)據(jù)包會(huì)使用消耗一個(gè)序號，所以對端的確認(rèn)號（ack）是當(dāng)前序號（seq）加一

與建立連接時(shí)的三次 握手不同，終止連接需要四次揮手因?yàn)門CP連接是全雙工的，每個(gè)方向都必須單獨(dú)進(jìn)行關(guān)閉。當(dāng)一方完成它的數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)后就能發(fā)送一個(gè)FIN來終止這個(gè)方向的連接。收到一個(gè) FIN只意味著這一方向上沒有數(shù)據(jù)流動(dòng)，但是TCP連接在收到一個(gè)FIN后仍能發(fā)送數(shù)據(jù)

TCP連接實(shí)驗(yàn)

好了，了解了TCP連接建立和終止的基本知識后，就可以通過Pcap.Net來進(jìn)行TCP連接建立和終止的實(shí)驗(yàn)了。

建立連接代碼的基本流程如下：

client程序使用一個(gè)初始的seq序號（100），然后生成并發(fā)送一個(gè)帶[SYN]標(biāo)志的TCP包

client將期待來自服務(wù)端的[SYN, ACK]包

當(dāng)收到[SYN, ACK]包之后，client需要生成并發(fā)送一個(gè)[ACK]包進(jìn)行確認(rèn)，這個(gè)[ACK]包的ack號是[SYN, ACK]包seq號加一

終止連接代碼的基本流程如下：

client程序delay 10秒鐘，然后發(fā)送[FIN, ACK]包關(guān)閉client到server的通路，繼續(xù)使用全局的seq號

client將期待來自服務(wù)端的[ACK]包，以及[FIN, ACK]包

最后client發(fā)送[ACK]包，seq號需要加一，因?yàn)閇FIN]標(biāo)志的包將消耗一個(gè)序號，TCP連接終止完成

主程序如下，發(fā)送TCP連接建立和終止請求，每個(gè)請求發(fā)送后都用PacketHandler處理收到的包：

communicator.SendPacket(Utils.BuildTcpPacket(endPointInfo, TcpControlBits.Synchronize, null));

PacketHandler(communicator, endPointInfo);

// delay 10 secs, then client to send Fin

Thread.Sleep(10000);

communicator.SendPacket(Utils.BuildTcpPacket(endPointInfo, TcpControlBits.Fin | TcpControlBits.Acknowledgment));

PacketHandler(communicator, endPointInfo);

程序的主要邏輯在PacketHandler中，這個(gè)函數(shù)根據(jù)收到的不同TCP包的類型完成不同的邏輯，產(chǎn)生并發(fā)送不同類型的包。

例如，當(dāng)PacketHandler接收到來自服務(wù)端的[SYN, ACK]包后，處理函數(shù)就會(huì)生成并發(fā)送一個(gè)[ACK]確認(rèn)包。也就是說，PacketHandler的邏輯就是實(shí)現(xiàn)了TCP連接建立和終止的邏輯。

private static void PacketHandler(PacketCommunicator communicator, EndPointInfo endPointInfo)

{

Packet packet = null;

bool running = true;

do

{

PacketCommunicatorReceiveResult result = communicator.ReceivePacket(out packet);

switch (result)

{

case PacketCommunicatorReceiveResult.Timeout:

// Timeout elapsed

continue;

case PacketCommunicatorReceiveResult.Ok:

bool isRecvedPacket = (packet.Ethernet.IpV4.Destination.ToString() == endPointInfo.SourceIp) ? true : false;

if (isRecvedPacket)

{

switch (packet.Ethernet.IpV4.Tcp.ControlBits)

{

case (TcpControlBits.Synchronize | TcpControlBits.Acknowledgment):

Utils.PacketInfoPrinter(packet);

Packet ack4SynAck = Utils.BuildTcpResponsePacket(packet, TcpControlBits.Acknowledgment);

communicator.SendPacket(ack4SynAck);

break;

case (TcpControlBits.Fin | TcpControlBits.Acknowledgment):

Utils.PacketInfoPrinter(packet);

Packet ack4FinAck = Utils.BuildTcpResponsePacket(packet, TcpControlBits.Acknowledgment);

communicator.SendPacket(ack4FinAck);

break;

case TcpControlBits.Acknowledgment:

Utils.PacketInfoPrinter(packet);

break;

default:

Utils.PacketInfoPrinter(packet);

break;

}

}

else

{

switch (packet.Ethernet.IpV4.Tcp.ControlBits)

{

case (TcpControlBits.Fin | TcpControlBits.Acknowledgment):

Utils.PacketInfoPrinter(packet);

break;

case TcpControlBits.Synchronize:

Utils.PacketInfoPrinter(packet);

break;

case TcpControlBits.Acknowledgment:

Utils.PacketInfoPrinter(packet);

running = false;

break;

default:

Utils.PacketInfoPrinter(packet);

break;

}

}

break;

default:

throw new InvalidOperationException("The result " + result + " should never be reached here");

}

} while (running);

}

在PacketHandler函數(shù)中用到了BuildTcpResponsePacket這個(gè)函數(shù)，這個(gè)函數(shù)根據(jù)收到的TCP包，來構(gòu)建response包。

這個(gè)函數(shù)有下面幾個(gè)注意點(diǎn)：

該函數(shù)會(huì)根據(jù)收到的包，設(shè)置response包的源和目的地址

該函數(shù)會(huì)接受PacketHandler傳遞來的TCP flags，并設(shè)置到TCP首部中

該函數(shù)的另一個(gè)重要部分就是會(huì)計(jì)算并設(shè)置TCP首部中的seq號ack號，這一點(diǎn)很重要

public static Packet BuildTcpResponsePacket(Packet packet, TcpControlBits tcpControlBits)

{

EthernetLayer ethernetHeader = new EthernetLayer

{

Source = new MacAddress(packet.Ethernet.Destination.ToString()),

Destination = new MacAddress(packet.Ethernet.Source.ToString()),

EtherType = EthernetType.None, // Will be filled automatically.

};

IpV4Layer ipHeader = new IpV4Layer

{

Source = new IpV4Address(packet.Ethernet.IpV4.Destination.ToString()),

CurrentDestination = new IpV4Address(packet.Ethernet.IpV4.Source.ToString()),

Fragmentation = IpV4Fragmentation.None,

HeaderChecksum = null, // Will be filled automatically.

Identification = 123,

Options = IpV4Options.None,

Protocol = null, // Will be filled automatically.

Ttl = 100,

TypeOfService = 0,

};

TcpLayer tcpHeader = new TcpLayer

{

SourcePort = packet.Ethernet.IpV4.Tcp.DestinationPort,

DestinationPort = packet.Ethernet.IpV4.Tcp.SourcePort,

Checksum = null, // Will be filled automatically.

SequenceNumber = seqNum = packet.Ethernet.IpV4.Tcp.AcknowledgmentNumber,

AcknowledgmentNumber = ackNum = packet.Ethernet.IpV4.Tcp.SequenceNumber + (uint)((packet.Ethernet.IpV4.Tcp.Payload.Length > 0) ? packet.Ethernet.IpV4.Tcp.Payload.Length : 1),

ControlBits = tcpControlBits,

Window = windowSize,

UrgentPointer = 0,

Options = TcpOptions.None,

};

PacketBuilder builder = new PacketBuilder(ethernetHeader, ipHeader, tcpHeader);

return builder.Build(DateTime.Now);

}

運(yùn)行效果

打開Wireshark監(jiān)聽"VirtualBox Host-Only Network"網(wǎng)卡，并設(shè)置filter為"port 8081"。

然后運(yùn)行程序，通過console可以看到客戶端發(fā)送的包，以及服務(wù)端返回的包，通過這些包完成了TCP連接的建立和終止。

下面是Wireshark中顯示的結(jié)果，Wireshark比較友好，會(huì)顯示相對seq號，所以看到的都是從0開始編號。

注意seq號和ack號的變化，[SYN]和[FIN]標(biāo)志的TCP包都會(huì)消耗一個(gè)序號。

總結(jié)

本文介紹了TCP首部，通過設(shè)置TCP首部中的[SYN]標(biāo)志，可以構(gòu)造TCP連接建立請求包；通過設(shè)置[FIN]標(biāo)志，可以構(gòu)造TCP連接終止請求包。

文中使用Pcap.Net構(gòu)建了一個(gè)簡單的客戶端，完成了向服務(wù)器建立（三次握手）和終止（四次揮手）連接的過程。

通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，一定會(huì)對TCP連接的建立和終止有一個(gè)比較直觀的認(rèn)識。

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