網絡通信協議之TCP
部分非常容易能夠創建一個本地TCP服務器，正好可以用來分析一下TCP的請求和響應過程。
在本篇文章，筆者將給大家介紹下TCP建立連接(三次握手)，傳輸數據，斷開連接(四次揮手)的過程。
TCP簡介
TCP：TCP(Transmission Control Protocol 傳輸控制協議)是一種面向連接的、可靠的、基于字節流的傳輸層通信協議，由IETF的RFC 793定義。
聊到網絡協議，我們常常會想到OSI(Open System Interconnection 開放式系統互聯)七層模型、TCP/IP協議簇，她位于OSI、TCP/IP協議簇哪一層等問題。
如下圖OSI七層模型及對應的TCP/IP協議簇所示，TCP位于OSI中的第四層(傳輸層)。位于TCP/IP協議簇中的第四層(TCP or UDP)。
下圖為OSI七層模型及對應的TCP/IP協議簇
OSI TCP/IP Family
TCP是面向連接的，是指客戶端在發送、接收數據之前需要先建立連接，這個連接過程需要三次握手來完成，筆者借助Python搭建了一個本地的TCP服務，并使用Wireshark(Wireshark(前稱Ethereal)是一個網絡封包分析軟件。網絡封包分析軟件的功能是擷取網絡封包，并盡可能顯示出最為詳細的網絡封包資料。)
捕獲了本地的TCP服務器和TCP客戶端之間請求響應的過程，帶大家一起看一下建立連接(三次握手)，傳輸數據，斷開連接(四次揮手)的過程。
本地搭建TCP服務準備工作
筆者在前文提到了要用Python創建一個本地TCP服務器，并且分析TCP的請求響應過程。這里筆者使用的是PythonIDE、Mac自帶的終端簡單創建了一個本地TCP服務端和客戶端。
筆者會分析的過程如下：
- 創建并且啟動一個端口號為20000的TCP服務端
- 創建客戶端并和服務端建立連接(三次握手)
- 客戶端向服務端發送數據'AB'
- 服務端到數據后給客戶端發送數據'AB'
- 服務端收到數據向客戶端發送收到的數據(當前即'AB')
- 客戶端和服務端斷開連接(四次揮手)
- 使用Wireshark對建立連接(三次握手)，傳輸數據，斷開連接(四次揮手)的過程進行分析
服務端代碼：
- 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。
通過上述準備工作，下邊筆者會使用Wireshark捕獲TCP請求響應的整個過程，并進行相應分析。
TCP三次握手
TCP通過三次握手建立連接，我們對下圖應該比較熟悉：
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 ，序列號是指發送數據的位置。每發送一次數據，就累加一次該數據字節數的大小。一般用Wireshark捕獲我們平時的請求的Seq是一個隨機數。
- Ack 即Acknowledgement number，是指下一次應該受到的數據的序列號。
- 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表示確認應答的字段變為有效。
TCP***次握手，客戶端向服務端發送報文，關鍵信息為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，服務端向客戶端發送報文，關鍵信息為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，客戶端向服務端發送報文，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
我們可以發現在三次握手之后，還有一次TCP Window Update。
TCP Window Update
TCP Window Update 是TCP通信中的一個狀態，它可以發生的原因有很多，但最終歸結于發送者傳輸數據的速度比接收者讀取的數據還快，這使得接受端的在緩沖區必須釋放一部分空間來裝發送過來的數據，然后向發送者發送Windows Update，告訴給發送者應該以多大的速度發送數據，從而使得數據傳輸與接受恢復正常。參考：tcp三次握手
從上圖TCP Window Update，根據Source Port：20000及Destination Port：59006可知，當前發送者是客戶端，解釋下上一段文字的意思是，客戶端發送的數據太快，服務端讀書數據慢，服務端向客戶端發送了一個TCP Window Update的報文。
上述內容就是TCP建立連接的過程，下邊筆者給大家介紹下傳輸數據部分的內容：
TCP的數據傳輸過程
查看數據傳輸過程和之前建立連接部分，用的是下圖代碼進行的分析：
代碼內容和之前建立連接的代碼一樣，只是添加了發送數據和斷開連接的幾行代碼。可見這次客戶端分配的端口號為53262。
在分析數據傳輸過程之前，筆者先對下邊會用到的名詞及工具做個簡單說明：
- 字節即byte，比特即bit，1個字節(byte)=8個比特(bit)。
- ASCII碼：是基于拉丁字母的一套電腦編碼系統，主要用于顯示現代英語和其他西歐語言。它是現今最通用的單字節編碼系統
ASCII碼對照表：
舉個例子'A'的ASCII碼為0x41
基本的16進制、2進制、10進制之間的轉換：16進制0x41對應2進制為 0100 0001對應10進制為4 * 16 + 1 = 65
在線進制轉換：
下邊筆者帶大家看一下數據傳輸部分的分析：
下圖表示客戶端s.send(b'A')以二進制形式傳輸'A'(其對應的ASCII碼為65)傳輸過程:
客戶端到服務端
下邊展示一個客戶端s.send(b'AB')并且服務端給予相應的回應(服務端也給客戶端發送收到的'')的過程：
- 接收數據的部分Flags中的Acknowledgement 設置為1，表示確認應答的字段有效
- 接收數據的部分Flags中的Push 設置為1表示表示接收方應該盡快把數據傳給上層應用協議
從源端口53262，目的端口20000可以看出，下圖表示客戶端向服務端發送消息，發送的數據為'AB'，'AB'的ASCII碼為0x4142。
客戶端向服務端發送消息
從源端口20000，目的端口53262可以看出下圖表示服務端向客戶端反饋收到了消息。
Acknowledgement number 為4是因為，服務端接接收了客戶端的2個字節的數據，在之前的客戶端的Sequence number的基礎上加了2。
服務端到客戶端收到消息響應
從源端口20000，目的端口53262可以看出，下圖表示服務端向客戶端發送消息，發送的數據為'AB'，'AB'的ASCII碼為0x4142。
服務端給客戶端發送消息
從源端口53262，目的端口20000可以看出下圖表示客戶端向服務端反饋收到了消息。Acknowledgement number 為4是因為，客戶端接收了服務端的2個字節的數據，在之前的服務端的Sequence number的基礎上加了2。
客戶端收到服務端消息后的響應
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
對應的Python的客戶端代碼s.shutdown(2)，客戶端主動斷開連接的。
- 斷開連接的Flags中Fin是設置為1的，表示希望斷開連接。
- 斷開連接的Flags中Ack是設置為1的，表示確認應答字段有效。
響應的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斷開連接的。Flags中的Fin是設置為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，可以看出是服務端給予客戶端斷開連接的響應。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，Flags中的Fin是設置為1的，可以看出是服務端向客戶端發送斷開連接的。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端斷開連接的響應。并且Acknowledge number對之前的服務端的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數據在IP數據報中的封裝及TCP包首部
后來和昆哥一起交流，經過昆哥指正，上圖的TCP首部已經更新過了，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專欄機構360技術的原創文章，微信公眾號“360技術（ id: qihoo_tech）”】
