部分非常容易能夠創(chuàng)建一個(gè)本地TCP服務(wù)器，正好可以用來分析一下TCP的請求和響應(yīng)過程。

在本篇文章，筆者將給大家介紹下TCP建立連接(三次握手)，傳輸數(shù)據(jù)，斷開連接(四次揮手)的過程。

TCP簡介

TCP：TCP(Transmission Control Protocol 傳輸控制協(xié)議)是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議，由IETF的RFC 793定義。

聊到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，我們常常會(huì)想到OSI(Open System Interconnection 開放式系統(tǒng)互聯(lián))七層模型、TCP/IP協(xié)議簇，她位于OSI、TCP/IP協(xié)議簇哪一層等問題。

如下圖OSI七層模型及對應(yīng)的TCP/IP協(xié)議簇所示，TCP位于OSI中的第四層(傳輸層)。位于TCP/IP協(xié)議簇中的第四層(TCP or UDP)。

下圖為OSI七層模型及對應(yīng)的TCP/IP協(xié)議簇

OSI TCP/IP Family

TCP是面向連接的，是指客戶端在發(fā)送、接收數(shù)據(jù)之前需要先建立連接，這個(gè)連接過程需要三次握手來完成，筆者借助Python搭建了一個(gè)本地的TCP服務(wù)，并使用Wireshark(Wireshark(前稱Ethereal)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)封包分析軟件。網(wǎng)絡(luò)封包分析軟件的功能是擷取網(wǎng)絡(luò)封包，并盡可能顯示出最為詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)封包資料。)

捕獲了本地的TCP服務(wù)器和TCP客戶端之間請求響應(yīng)的過程，帶大家一起看一下建立連接(三次握手)，傳輸數(shù)據(jù)，斷開連接(四次揮手)的過程。

本地搭建TCP服務(wù)準(zhǔn)備工作

筆者在前文提到了要用Python創(chuàng)建一個(gè)本地TCP服務(wù)器，并且分析TCP的請求響應(yīng)過程。這里筆者使用的是PythonIDE、Mac自帶的終端簡單創(chuàng)建了一個(gè)本地TCP服務(wù)端和客戶端。

筆者會(huì)分析的過程如下：

• 創(chuàng)建并且啟動(dòng)一個(gè)端口號為20000的TCP服務(wù)端
• 創(chuàng)建客戶端并和服務(wù)端建立連接(三次握手)
• 客戶端向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)'AB'
• 服務(wù)端到數(shù)據(jù)后給客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)'AB'
• 服務(wù)端收到數(shù)據(jù)向客戶端發(fā)送收到的數(shù)據(jù)(當(dāng)前即'AB')
• 客戶端和服務(wù)端斷開連接(四次揮手)
• 使用Wireshark對建立連接(三次握手)，傳輸數(shù)據(jù)，斷開連接(四次揮手)的過程進(jìn)行分析

服務(wù)端代碼：

Python 3.7.1 (v3.7.1:260ec2c36a, Oct 20 2018, 03:13:28)   
[Clang 6.0 (clang-600.0.57)] on darwin  
Type "help", "copyright", "credits" or "license()" for more information.  
>>> from socketserver import BaseRequestHandler, TCPServer  
>>> class EchoHandler(BaseRequestHandler):  
def handle(self):  
print('Got connection from', self.client_address)  
while True:  
msg = self.request.recv(8192)  
if not msg:  
break  
self.request.send(msg)  
 
     
>>> if __name__ == '__main__':  
serv = TCPServer(('', 20000), EchoHandler)  
serv.serve_forever() 
 
      
Got connection from ('127.0.0.1', 59006) 

客戶端代碼：

wangyongwangdeiMac:~ wangyongwang$ python  
Python 2.7.15 (default, Oct 2 2018, 11:47:18)  
[GCC 4.2.1 Compatible Apple LLVM 10.0.0 (clang-1000.11.45.2)] on darwin 
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.  
>>> from socket import socket, AF_INET, SOCK_STREAM  
>>> s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)  
>>> s.connect(('localhost', 20000)) 

上述代碼的效果如下圖所示：

TCP請求響應(yīng)效果圖

TCP建立連接效果圖

如上圖，Got connection from ('127.0.0.1', 62515)我們可以確定客戶端使用的端口是59006。

通過上述準(zhǔn)備工作，下邊筆者會(huì)使用Wireshark捕獲TCP請求響應(yīng)的整個(gè)過程，并進(jìn)行相應(yīng)分析。

TCP三次握手

TCP通過三次握手建立連接，我們對下圖應(yīng)該比較熟悉：

TCP三次握手圖解

對上圖中的代號及下文中的代號做說明：

• Seq即下文中的Sequence number ，序列號是指發(fā)送數(shù)據(jù)的位置。每發(fā)送一次數(shù)據(jù)，就累加一次該數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)的大小。一般用Wireshark捕獲我們平時(shí)的請求的Seq是一個(gè)隨機(jī)數(shù)。
• Ack 即Acknowledgement number，是指下一次應(yīng)該受到的數(shù)據(jù)的序列號。
• SYN為Flags部分的Syn，Syn為1表示希望建立連接。
• ACK為Flags部分的ACK，Ack為1表示確認(rèn)應(yīng)答的字段變?yōu)橛行А?/li>

TCP***次握手，客戶端向服務(wù)端發(fā)送報(bào)文，關(guān)鍵信息為Syn=1，Seq=0。如下圖所示，sequence number= x = 0，Syn=1。

TCP***次握手

TCP第二次握手，服務(wù)端向客戶端發(fā)送報(bào)文，關(guān)鍵信息為Ack=x+1=1，Syn=1，Seq=y=0。如下圖所示，sequence number=y=0，Ack=x+1=1 , Syn = 1。

TCP第二次握手

TCP第三次握手，客戶端向服務(wù)端發(fā)送報(bào)文，Seq=x+1=1，Ack=y+1=1，ACK=1。如下圖所示，Seq=x+1=1，Ack=y+1=1，ACK=1。

TCP第三次握手

我們可以發(fā)現(xiàn)在三次握手之后，還有一次TCP Window Update。

TCP Window Update

TCP Window Update 是TCP通信中的一個(gè)狀態(tài)，它可以發(fā)生的原因有很多，但最終歸結(jié)于發(fā)送者傳輸數(shù)據(jù)的速度比接收者讀取的數(shù)據(jù)還快，這使得接受端的在緩沖區(qū)必須釋放一部分空間來裝發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，然后向發(fā)送者發(fā)送Windows Update，告訴給發(fā)送者應(yīng)該以多大的速度發(fā)送數(shù)據(jù)，從而使得數(shù)據(jù)傳輸與接受恢復(fù)正常。參考：tcp三次握手

從上圖TCP Window Update，根據(jù)Source Port：20000及Destination Port：59006可知，當(dāng)前發(fā)送者是客戶端，解釋下上一段文字的意思是，客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)太快，服務(wù)端讀書數(shù)據(jù)慢，服務(wù)端向客戶端發(fā)送了一個(gè)TCP Window Update的報(bào)文。

上述內(nèi)容就是TCP建立連接的過程，下邊筆者給大家介紹下傳輸數(shù)據(jù)部分的內(nèi)容：

TCP的數(shù)據(jù)傳輸過程

查看數(shù)據(jù)傳輸過程和之前建立連接部分，用的是下圖代碼進(jìn)行的分析：

代碼內(nèi)容和之前建立連接的代碼一樣，只是添加了發(fā)送數(shù)據(jù)和斷開連接的幾行代碼?？梢娺@次客戶端分配的端口號為53262。

在分析數(shù)據(jù)傳輸過程之前，筆者先對下邊會(huì)用到的名詞及工具做個(gè)簡單說明：

• 字節(jié)即byte，比特即bit，1個(gè)字節(jié)(byte)=8個(gè)比特(bit)。
• ASCII碼：是基于拉丁字母的一套電腦編碼系統(tǒng)，主要用于顯示現(xiàn)代英語和其他西歐語言。它是現(xiàn)今最通用的單字節(jié)編碼系統(tǒng)

ASCII碼對照表：

舉個(gè)例子'A'的ASCII碼為0x41

基本的16進(jìn)制、2進(jìn)制、10進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換：16進(jìn)制0x41對應(yīng)2進(jìn)制為 0100 0001對應(yīng)10進(jìn)制為4 * 16 + 1 = 65

在線進(jìn)制轉(zhuǎn)換：

下邊筆者帶大家看一下數(shù)據(jù)傳輸部分的分析：

下圖表示客戶端s.send(b'A')以二進(jìn)制形式傳輸'A'(其對應(yīng)的ASCII碼為65)傳輸過程:

客戶端到服務(wù)端

下邊展示一個(gè)客戶端s.send(b'AB')并且服務(wù)端給予相應(yīng)的回應(yīng)(服務(wù)端也給客戶端發(fā)送收到的'')的過程：

• 接收數(shù)據(jù)的部分Flags中的Acknowledgement 設(shè)置為1，表示確認(rèn)應(yīng)答的字段有效
• 接收數(shù)據(jù)的部分Flags中的Push 設(shè)置為1表示表示接收方應(yīng)該盡快把數(shù)據(jù)傳給上層應(yīng)用協(xié)議

從源端口53262，目的端口20000可以看出，下圖表示客戶端向服務(wù)端發(fā)送消息，發(fā)送的數(shù)據(jù)為'AB'，'AB'的ASCII碼為0x4142。

客戶端向服務(wù)端發(fā)送消息

從源端口20000，目的端口53262可以看出下圖表示服務(wù)端向客戶端反饋收到了消息。

Acknowledgement number 為4是因?yàn)?，服?wù)端接接收了客戶端的2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，在之前的客戶端的Sequence number的基礎(chǔ)上加了2。

服務(wù)端到客戶端收到消息響應(yīng)

從源端口20000，目的端口53262可以看出，下圖表示服務(wù)端向客戶端發(fā)送消息，發(fā)送的數(shù)據(jù)為'AB'，'AB'的ASCII碼為0x4142。

服務(wù)端給客戶端發(fā)送消息

從源端口53262，目的端口20000可以看出下圖表示客戶端向服務(wù)端反饋收到了消息。Acknowledgement number 為4是因?yàn)?，客戶端接收了服?wù)端的2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，在之前的服務(wù)端的Sequence number的基礎(chǔ)上加了2。

客戶端收到服務(wù)端消息后的響應(yīng)

TCP斷開連接四次揮手

TCP斷開連接示意圖如下：

TCP斷開連接示意圖

對應(yīng)的Python的客戶端代碼s.shutdown(2)，客戶端主動(dòng)斷開連接的。

• 斷開連接的Flags中Fin是設(shè)置為1的，表示希望斷開連接。
• 斷開連接的Flags中Ack是設(shè)置為1的，表示確認(rèn)應(yīng)答字段有效。

響應(yīng)的Wireshark抓包分析如下：

TCP斷開連接***次揮手，從源端口53262到目的端口20000，可以看出是客戶端主動(dòng)斷開連接的。Flags中的Fin是設(shè)置為1的，Sequence number為7。

TCP斷開連接***次揮手

TCP斷開連接第二次揮手，從源端口20000到目的端口53262，可以看出是服務(wù)端給予客戶端斷開連接的響應(yīng)。并且Acknowledge number對之前的客戶端的Sequence number做了加1操作。

TCP斷開連接第二次揮手

TCP斷開連接第三次揮手，從源端口20000到目的端口53262，F(xiàn)lags中的Fin是設(shè)置為1的，可以看出是服務(wù)端向客戶端發(fā)送斷開連接的。Sequence number為7。

TCP斷開連接第三次揮手

TCP斷開連接第四次揮手，從源端口53262到目的端口20000，可以看出是客戶端給予服務(wù)端斷開連接的響應(yīng)。并且Acknowledge number對之前的服務(wù)端的Sequence number做了加1操作。

TCP斷開連接第四次揮手

下邊，筆者貼出了IP和TCP首部及Wireshark捕獲TCP請求過程的的圖。有興趣的讀者可自行做簡單分析。

TCP數(shù)據(jù)在IP數(shù)據(jù)報(bào)中的封裝及TCP包首部

后來和昆哥一起交流，經(jīng)過昆哥指正，上圖的TCP首部已經(jīng)更新過了，較新的TCP首部格式如下：

TCP首部

下圖為TCP首部中的控制位部分：

控制位 Control Flag

TCP

TCP

【本文是51CTO專欄機(jī)構(gòu)360技術(shù)的原創(chuàng)文章，微信公眾號“360技術(shù)（ id: qihoo_tech）”】

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