深入理解TCP/IP協(xié)議棧之TCP協(xié)議

ID:196536 · 發(fā)表于 2017-5-4 15:58

摘要：
本文簡(jiǎn)單介紹了TCP面向連接理論知識(shí)，詳細(xì)講述了TCP報(bào)文各個(gè)字段含義，并從Wireshark俘獲
分組中選取TCP連接建立相關(guān)報(bào)文段進(jìn)行分析。

一、概述
TCP是面向連接的可靠傳輸協(xié)議，兩個(gè)進(jìn)程互發(fā)數(shù)據(jù)之前需要建立連接，這里的連接只不過是端系
統(tǒng)中分配的一些緩存和狀態(tài)變量，中間的分組交換機(jī)不維護(hù)任何連接狀態(tài)信息。連接建立整個(gè)過程
如下(即三次握手協(xié)議)：
首先，客戶機(jī)發(fā)送一個(gè)特殊的TCP報(bào)文段；
其次，服務(wù)器用另一個(gè)特殊的TCP報(bào)文段來響應(yīng)；
最后，客戶機(jī)再用第三個(gè)特殊報(bào)文段作為響應(yīng)。

圖1 三次握手協(xié)議示意圖[1]
二、TCP報(bào)文格式
2.1 概述
為了提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，TCP報(bào)文首部字段有較多的字段，TCP報(bào)文格式如下圖：

圖2 TCP報(bào)文格式
源和目標(biāo)端口
用于多路復(fù)用/多路分解來自或送至上層應(yīng)用的數(shù)據(jù)，可以這樣理解，端口用來標(biāo)識(shí)
同一臺(tái)計(jì)算機(jī)的不同進(jìn)程。
序列號(hào)和確認(rèn)號(hào)
這兩個(gè)字段是TCP可靠傳輸服務(wù)的關(guān)鍵部分，序列號(hào)是該報(bào)文段首字節(jié)的字節(jié)流編號(hào)
(TCP把數(shù)據(jù)看成是有序的字節(jié)流，TCP隱式地對(duì)數(shù)據(jù)流的每個(gè)字節(jié)進(jìn)行編號(hào))。這樣理
解可能更直觀，當(dāng)報(bào)文被分解成多個(gè)報(bào)文段時(shí)，序列號(hào)就是報(bào)文段首字節(jié)在整個(gè)報(bào)文的
偏移量。確定號(hào)指定下一個(gè)期待的字節(jié)。TCP是全雙工的，假設(shè)從主機(jī)A接收到主機(jī)B
的數(shù)據(jù)，則主機(jī)A填充進(jìn)報(bào)文段的確認(rèn)號(hào)是主機(jī)A期望從主機(jī)B收到的下一個(gè)字節(jié)序號(hào)。
還沒理清這兩者的關(guān)系？見下圖(三次握手)：

圖3 正常情況下TCP連接建立過程
首部長度(4位)
因?yàn)檫x項(xiàng)是不定長的，這就需要標(biāo)識(shí)整個(gè)首部字段的長度(單位是32位字)，即5+選項(xiàng)
個(gè)數(shù)。4位，單位是32位字，所以首部最長是15*4=60字節(jié)，即選項(xiàng)最長是40字
節(jié)(10個(gè)選項(xiàng))。
標(biāo)志
URG
指示報(bào)文段里存在著被發(fā)送方的上層實(shí)體標(biāo)記為"緊急"數(shù)據(jù)，當(dāng)URG=1時(shí)，其后的緊
急指針指示緊急數(shù)據(jù)在當(dāng)前數(shù)據(jù)段中的位置(相對(duì)于當(dāng)前序列號(hào)的字節(jié)偏移量)，TCP接
收方必須通知上層實(shí)體。
ACK
當(dāng)ACK=0時(shí)，表示該數(shù)據(jù)段不包含確認(rèn)信息，當(dāng)ACK=1時(shí)，表示該報(bào)文段包括一個(gè)對(duì)
已被成功接收?qǐng)?bào)文段的確認(rèn)。
PSH
當(dāng)PSH=1時(shí)，接收方在收到數(shù)據(jù)后立即將數(shù)據(jù)交給上層，而不是直到整個(gè)緩沖區(qū)滿。
RST
用于重置一個(gè)已經(jīng)混亂的連接(如主崩潰)，也可用于拒絕一個(gè)無效的數(shù)據(jù)段或者拒絕
一個(gè)連接請(qǐng)求。一般而言，如果你得到的數(shù)據(jù)段被設(shè)置了RST位，那說明你這一
端有問題了。
SYN
用于建立連接過程，在連接請(qǐng)求中，SYN=1和ACK=0表示該數(shù)據(jù)段沒有使用捎帶
的確認(rèn)域，而連接應(yīng)答捎帶一個(gè)確認(rèn)，即SYN=1和ACK=1。
注：捎帶是指對(duì)客戶機(jī)到服務(wù)器數(shù)據(jù)的確認(rèn)被裝載在一個(gè)承載服務(wù)器到客戶機(jī)的數(shù)
據(jù)報(bào)文段中。
FIN
用于釋放一個(gè)連接，表示發(fā)送方已經(jīng)沒有數(shù)據(jù)要傳輸了。此時(shí)，接收方可能繼續(xù)接
收數(shù)據(jù)，好在SYN和FIN數(shù)據(jù)段都有序列號(hào)，從而保證了這兩種數(shù)據(jù)段以正確
順序被處理。
窗口大小
用于流控制(確保連接的任何一方都不會(huì)過快地發(fā)送過量的分組而淹沒另一方)，窗口
大小指定了從被確認(rèn)的字節(jié)算起可以發(fā)送多少個(gè)字節(jié)。
校驗(yàn)和
提供了額外可靠性，在計(jì)算檢驗(yàn)和的時(shí)候，TCP的Checksum域設(shè)為0，如果數(shù)據(jù)域
的字節(jié)數(shù)為奇數(shù)，則數(shù)據(jù)域填補(bǔ)一個(gè)額外的0字節(jié)。校驗(yàn)和算法：將所有的16位字按
1的補(bǔ)碼形式累加起來，取累加結(jié)果的補(bǔ)碼。因此，當(dāng)接收方執(zhí)行同樣計(jì)算時(shí)(包括
Checksum域)，結(jié)果應(yīng)該是0。
緊急指針
參考標(biāo)志字段的URG位。
選項(xiàng)
選項(xiàng)部分是為了適合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和更好地服務(wù)于應(yīng)用層設(shè)計(jì)的。TCP選項(xiàng)最長
是40字節(jié)。詳情見2.2。
數(shù)據(jù)
無任何數(shù)據(jù)的TCP段也是合法的，通常用于確認(rèn)和控制信息。
2.2 選項(xiàng)字段[2]
TCP選項(xiàng)部分很好出現(xiàn)在已經(jīng)建立連接的會(huì)話中，只要出現(xiàn)在TCP連接建立階段，
即三次握手。TCP選項(xiàng)部分實(shí)際運(yùn)用有以下幾種：
(1)最大報(bào)文傳輸段(MMS, Maximum Segment Size)
用于發(fā)送發(fā)與接收方協(xié)商最大報(bào)文段長度(僅僅是凈荷數(shù)據(jù)，不包括TCP首部字段)。
TCP在三次握手中，每一方都會(huì)通告期望收到的MSS(MSS只出現(xiàn)在SYN數(shù)據(jù)包中)，
如果一方不接受另一方的MSS值，則使用默認(rèn)的536字節(jié)凈荷數(shù)據(jù)，即主機(jī)能夠接
受20+536字節(jié)的TCP報(bào)文段。
(2)窗口擴(kuò)大選項(xiàng)(Window scaling)
TCP報(bào)文的窗口大小字段占16位，即最大值是65535，但隨著時(shí)延和帶寬比較大的
通信產(chǎn)生(如衛(wèi)星通信)，需要更大的窗口滿足性能和吞吐率，這就是窗口擴(kuò)大選項(xiàng)
存在的意義。例子見參考資料[2]。
Windows scaling占3個(gè)字節(jié)，最后一個(gè)字節(jié)是移位值(Shift count)，即首部的窗口
位數(shù)16向左移動(dòng)，如移位值為14，則新的窗口最大值增大到65535*(2^14)。
窗口擴(kuò)大選項(xiàng)是在TCP建立之初進(jìn)行協(xié)商，如果已實(shí)現(xiàn)了窗口擴(kuò)大，當(dāng)不再需要
擴(kuò)大窗口時(shí)，發(fā)送移位值=0就可以恢復(fù)到原窗口大小，即65535。
(3)選擇確認(rèn)選項(xiàng)(SACK, Selective Acknowledgements)
考慮這樣情況，主機(jī)A發(fā)送報(bào)文段12345，主機(jī)B收到135且報(bào)文無差錯(cuò)，SACK用來
確保只重傳缺少的報(bào)文段，而不是重傳所有報(bào)文段。
SACK選項(xiàng)需要2個(gè)功能字節(jié)，一個(gè)用來指明使用SACK選項(xiàng)(SACK Permission)，
另一指明這個(gè)選項(xiàng)占多少字節(jié)。
那怎么形容丟失的報(bào)文段2，說明2的左右邊界分別是1、3。TCP的數(shù)據(jù)報(bào)文是有
字塊邊界的，而這種邊界是由序列號(hào)表示的。

最多能指明多少個(gè)字節(jié)塊的邊界信息呢？答案是4個(gè)。這是因?yàn)檫x項(xiàng)字段最大是40
字節(jié)，去除2個(gè)功能字節(jié)，序列號(hào)是32位即4字節(jié)，并且需要左右邊界，所以
(40-2)/8 = 4。
(4)時(shí)間戳選項(xiàng)(timestamps)
時(shí)間戳選項(xiàng)用來計(jì)算往返時(shí)間RTT，發(fā)送方在發(fā)送報(bào)文段時(shí)把當(dāng)前時(shí)鐘的時(shí)間值
放入時(shí)間戳字段，接收方將該時(shí)間戳字段的值復(fù)制到確認(rèn)報(bào)文中，當(dāng)接收方收到
確認(rèn)報(bào)文，對(duì)比確認(rèn)報(bào)文的時(shí)間戳(等于發(fā)送方發(fā)送報(bào)文段的時(shí)間戳)和現(xiàn)在的時(shí)鐘，
即可算出RTT。
時(shí)間戳選項(xiàng)還可用于防止回繞序號(hào)PAWS。序列號(hào)只有32位，每2^32個(gè)序列號(hào)就會(huì)
回繞(想想環(huán)形隊(duì)列)，采用時(shí)間戳選項(xiàng)很容易區(qū)分相同序列號(hào)的報(bào)文段。
(5)NOP(NO-Operation)
TCP的頭部必須是4字節(jié)的倍數(shù)，而大多數(shù)選項(xiàng)不是4字節(jié)倍數(shù)，不足的用NOP填充。
除此之外，NOP也用于分割不同的選項(xiàng)數(shù)據(jù)，如窗口擴(kuò)大選項(xiàng)和SACK之間使用NOP
隔離(下面的實(shí)例將看到這一點(diǎn))。

三、實(shí)例解析
3.1 概述
還是以訪問百度首頁為例，首先用DNS協(xié)議將URL解析成IP地址，接著在客戶機(jī)和服務(wù)
器間建立TCP連接，用Wireshark俘獲的分組如下圖：

圖4 Wireshark俘獲建立TCP連接分組
你一看會(huì)覺得有些奇怪，理論上應(yīng)該是3個(gè)分組的，怎么有6個(gè)分組？先不急，先把這6個(gè)
報(bào)文收發(fā)示意圖作出來(結(jié)合時(shí)間和報(bào)文含義)，如下：

圖5 TCP連接建立實(shí)例
從圖可知，連接建立伊始，客戶機(jī)發(fā)了兩個(gè)報(bào)文段，這也許是為了更快建立連接(假設(shè)有
個(gè)請(qǐng)求報(bào)文段丟失，也不至于要等一段時(shí)間，重發(fā)報(bào)文)。接下來，以19、21、22(上圖
紅色線條所示)分析TCP連接建立過程。
3.1 第一次握手19
Wireshark俘獲TCP連接第一次握手的報(bào)文段如下：

圖6 TCP連接第一次握手實(shí)例
這里主要挑幾個(gè)字段分析：
標(biāo)志字段，SYN=1、ACK=0表示該數(shù)據(jù)段沒有使用捎帶的確認(rèn)域。
最大報(bào)文段長度(MMS)1460是怎么來的，鏈路層的以太網(wǎng)物理特性決定數(shù)據(jù)幀長度為
1500(即MTU，最大傳輸單元)，1460=1500-20(IP首部長度)-20(TCP首部長度)。不要被
該報(bào)文首部長度32字節(jié)所迷惑，這只是建立連接過程。MSS與MTU關(guān)系見下圖[2]：

圖7 MSS與MTU關(guān)系
NOP字段，可以作為不足4倍數(shù)字節(jié)填充，也可作為選項(xiàng)間分隔，該報(bào)文段出現(xiàn)了3個(gè)
NOP，具體功能見下圖：

圖8 TCP報(bào)文NOP字段
3.3 第二次握手21
服務(wù)器響應(yīng)客戶端TCP報(bào)文段，此時(shí)確認(rèn)號(hào)為1了，SYN=1、ACK=1表明連接應(yīng)答捎
帶一個(gè)確認(rèn)，Wireshark俘獲分組如下：

圖9 TCP連接第二次握手實(shí)例
為什么MSS是1452而不是1460?這是因?yàn)槭褂肞PPoE(Point-to-Point over Ethernet，
可以使以太網(wǎng)的主機(jī)通過一個(gè)簡(jiǎn)單的橋接設(shè)備連到一個(gè)無端的接入集中器上[3])撥號(hào)上網(wǎng)，
PPoP首部是8個(gè)字節(jié)，所以PPPoE的MTU是1492，MSS也就為1492-40=1452。
那么，TCP連接建立后數(shù)據(jù)傳輸?shù)腗SS是多少呢，1460 or 1452 or 536 ？我的理解是
默認(rèn)值536，這樣理解對(duì)嗎？求指點(diǎn)！

3.4 第三次握手22
客戶機(jī)再次服務(wù)器的報(bào)文段，此時(shí)序列號(hào)和確認(rèn)號(hào)都為1，沒有選項(xiàng)字段，Wireshark
俘獲的分組信息如下：

圖10 TCP連接第三次握手實(shí)例
值得注意的，因?yàn)榇翱跀U(kuò)展大小協(xié)商未果，所以就不擴(kuò)大窗口了，即窗口大小最大
為65535。

如此，TCP連接建立:-)

ID:198331 · 發(fā)表于 2017-5-9 03:45

如此好的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信方面的經(jīng)典通信過程，建議學(xué)電的同學(xué)一定要搞清楚哈

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