標題: 深入理解TCP/IP協(xié)議棧之TCP協(xié)議 [打印本頁]
作者: han_123    時間: 2017-5-4 15:58
標題: 深入理解TCP/IP協(xié)議棧之TCP協(xié)議
摘要：
本文簡單介紹了TCP面向連接理論知識，詳細講述了TCP報文各個字段含義，并從Wireshark俘獲
分組中選取TCP連接建立相關(guān)報文段進行分析。

一、概述
TCP是面向連接的可靠傳輸協(xié)議，兩個進程互發(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，中間的分組交換機不維護任何連接狀態(tài)信息。連接建立整個過程
如下(即三次握手協(xié)議)：
首先，客戶機發(fā)送一個特殊的TCP報文段；
其次，服務(wù)器用另一個特殊的TCP報文段來響應(yīng)；
最后，客戶機再用第三個特殊報文段作為響應(yīng)。

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

圖2 TCP報文格式
源和目標端口
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，端口用來標識
同一臺計算機的不同進程。
序列號和確認號
這兩個字段是TCP可靠傳輸服務(wù)的關(guān)鍵部分，序列號是該報文段首字節(jié)的字節(jié)流編號
(TCP把數(shù)據(jù)看成是有序的字節(jié)流，TCP隱式地對數(shù)據(jù)流的每個字節(jié)進行編號)。這樣理
解可能更直觀，當報文被分解成多個報文段時，序列號就是報文段首字節(jié)在整個報文的
偏移量。確定號指定下一個期待的字節(jié)。TCP是全雙工的，假設(shè)從主機A接收到主機B
的數(shù)據(jù)，則主機A填充進報文段的確認號是主機A期望從主機B收到的下一個字節(jié)序號。
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)
因為選項是不定長的，這就需要標識整個首部字段的長度(單位是32位字)，即5+選項
個數(shù)。4位，單位是32位字，所以首部最長是15*4=60字節(jié)，即選項最長是40字
節(jié)(10個選項)。
標志
URG
指示報文段里存在著被發(fā)送方的上層實體標記為"緊急"數(shù)據(jù)，當URG=1時，其后的緊
急指針指示緊急數(shù)據(jù)在當前數(shù)據(jù)段中的位置(相對于當前序列號的字節(jié)偏移量)，TCP接
收方必須通知上層實體。
ACK
當ACK=0時，表示該數(shù)據(jù)段不包含確認信息，當ACK=1時，表示該報文段包括一個對
已被成功接收報文段的確認。
PSH
當PSH=1時，接收方在收到數(shù)據(jù)后立即將數(shù)據(jù)交給上層，而不是直到整個緩沖區(qū)滿。
RST
用于重置一個已經(jīng)混亂的連接(如主崩潰)，也可用于拒絕一個無效的數(shù)據(jù)段或者拒絕
一個連接請求。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，在連接請求中，SYN=1和ACK=0表示該數(shù)據(jù)段沒有使用捎帶
的確認域，而連接應(yīng)答捎帶一個確認，即SYN=1和ACK=1。
注：捎帶是指對客戶機到服務(wù)器數(shù)據(jù)的確認被裝載在一個承載服務(wù)器到客戶機的數(shù)
據(jù)報文段中。
FIN
用于釋放一個連接，表示發(fā)送方已經(jīng)沒有數(shù)據(jù)要傳輸了。此時，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，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的字節(jié)算起可以發(fā)送多少個字節(jié)。
校驗和
提供了額外可靠性，在計算檢驗和的時候，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)域填補一個額外的0字節(jié)。校驗和算法：將所有的16位字按
1的補碼形式累加起來，取累加結(jié)果的補碼。因此，當接收方執(zhí)行同樣計算時(包括
Checksum域)，結(jié)果應(yīng)該是0。
緊急指針
參考標志字段的URG位。
選項
選項部分是為了適合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和更好地服務(wù)于應(yīng)用層設(shè)計的。TCP選項最長
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，通常用于確認和控制信息。
2.2 選項字段[2]
TCP選項部分很好出現(xiàn)在已經(jīng)建立連接的會話中，只要出現(xiàn)在TCP連接建立階段，
即三次握手。TCP選項部分實際運用有以下幾種：
(1)最大報文傳輸段(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，則使用默認的536字節(jié)凈荷數(shù)據(jù)，即主機能夠接
受20+536字節(jié)的TCP報文段。
(2)窗口擴大選項(Window scaling)
TCP報文的窗口大小字段占16位，即最大值是65535，但隨著時延和帶寬比較大的
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，這就是窗口擴大選項
存在的意義。例子見參考資料[2]。
Windows scaling占3個字節(jié)，最后一個字節(jié)是移位值(Shift count)，即首部的窗口
位數(shù)16向左移動，如移位值為14，則新的窗口最大值增大到65535*(2^14)。
窗口擴大選項是在TCP建立之初進行協(xié)商，如果已實現(xiàn)了窗口擴大，當不再需要
擴大窗口時，發(fā)送移位值=0就可以恢復(fù)到原窗口大小，即65535。
(3)選擇確認選項(SACK, Selective Acknowledgements)
考慮這樣情況，主機A發(fā)送報文段12345，主機B收到135且報文無差錯，SACK用來
確保只重傳缺少的報文段，而不是重傳所有報文段。
SACK選項需要2個功能字節(jié)，一個用來指明使用SACK選項(SACK Permission)，
另一指明這個選項占多少字節(jié)。
那怎么形容丟失的報文段2，說明2的左右邊界分別是1、3。TCP的數(shù)據(jù)報文是有
字塊邊界的，而這種邊界是由序列號表示的。

最多能指明多少個字節(jié)塊的邊界信息呢？答案是4個。這是因為選項字段最大是40
字節(jié)，去除2個功能字節(jié)，序列號是32位即4字節(jié)，并且需要左右邊界，所以
(40-2)/8 = 4。
(4)時間戳選項(timestamps)
時間戳選項用來計算往返時間RTT，發(fā)送方在發(fā)送報文段時把當前時鐘的時間值
放入時間戳字段，接收方將該時間戳字段的值復(fù)制到確認報文中，當接收方收到
確認報文，對比確認報文的時間戳(等于發(fā)送方發(fā)送報文段的時間戳)和現(xiàn)在的時鐘，
即可算出RTT。
時間戳選項還可用于防止回繞序號PAWS。序列號只有32位，每2^32個序列號就會
回繞(想想環(huán)形隊列)，采用時間戳選項很容易區(qū)分相同序列號的報文段。
(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數(shù)據(jù)，如窗口擴大選項和SACK之間使用NOP
隔離(下面的實例將看到這一點)。

三、實例解析
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
你一看會覺得有些奇怪，理論上應(yīng)該是3個分組的，怎么有6個分組？先不急，先把這6個
報文收發(fā)示意圖作出來(結(jié)合時間和報文含義)，如下：

圖5 TCP連接建立實例
從圖可知，連接建立伊始，客戶機發(fā)了兩個報文段，這也許是為了更快建立連接(假設(shè)有
個請求報文段丟失，也不至于要等一段時間，重發(fā)報文)。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文段如下：

圖6 TCP連接第一次握手實例
這里主要挑幾個字段分析：
標志字段，SYN=1、ACK=0表示該數(shù)據(jù)段沒有使用捎帶的確認域。
最大報文段長度(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，也可作為選項間分隔，該報文段出現(xiàn)了3個
NOP，具體功能見下圖：

圖8 TCP報文NOP字段
3.3 第二次握手21
服務(wù)器響應(yīng)客戶端TCP報文段，此時確認號為1了，SYN=1、ACK=1表明連接應(yīng)答捎
帶一個確認，Wireshark俘獲分組如下：

圖9 TCP連接第二次握手實例
為什么MSS是1452而不是1460?這是因為使用PPPoE(Point-to-Point over Ethernet，
可以使以太網(wǎng)的主機通過一個簡單的橋接設(shè)備連到一個無端的接入集中器上[3])撥號上網(wǎng)，
PPoP首部是8個字節(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
默認值536，這樣理解對嗎？求指點！

3.4 第三次握手22
客戶機再次服務(wù)器的報文段，此時序列號和確認號都為1，沒有選項字段，Wireshark
俘獲的分組信息如下：

圖10 TCP連接第三次握手實例
值得注意的，因為窗口擴展大小協(xié)商未果，所以就不擴大窗口了，即窗口大小最大
為65535。

如此，TCP連接建立:-)

作者: slimchao    時間: 2017-5-9 03:45
如此好的計算機網(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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