網路通訊協議之 TCP

TCP/IP · 發表 2019-04-28 10:45:06

摘要：女主宣言筆者最近看了關於Python的部分內容，發現網路程式設計部分非常容易能夠建立一個本地TCP伺服器，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建立連線（三次握手），傳輸資料，斷開連線（四次揮手）的過程。 PS：豐富的一線...

女主宣言

筆者最近看了關於Python的部分內容，發現網路程式設計部分非常容易能夠建立一個本地TCP伺服器，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建立連線（三次握手），傳輸資料，斷開連線（四次揮手）的過程。

PS：豐富的一線技術、多元化的表現形式，盡在“ 360雲端計算 ”，點關注哦！

TCP簡介

TCP： TCP(Transmission Control Protocol 傳輸控制協議)是一種面向連線的、可靠的、基於位元組流的傳輸層通訊協議，由IETF的 RFC 793 定義。
聊到網路協議，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，她位於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位於OSI中的第四層（傳輸層）。位於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是面向連線的，是指客戶端在傳送、接收資料之前需要先建立連線，這個連線過程需要三次握手來完成，筆者藉助Python搭建了一個本地的TCP服務，並使用 Wireshark （Wireshark(前稱Ethereal)是一個網路封包分析軟體。網路封包分析軟體的功能是擷取網路封包，並儘可能顯示出最為詳細的網路封包資料。）

捕獲了本地的TCP伺服器和TCP客戶端之間請求響應的過程，帶大家一起看一下建立連線（三次握手），傳輸資料，斷開連線（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建立一個本地TCP伺服器，並且分析TCP的請求響應過程。這裡筆者使用的是PythonIDE、Mac自帶的終端簡單建立了一個本地TCP服務端和客戶端。

筆者會分析的過程如下：

-> 建立並且啟動一個埠號為20000的TCP服務端

-> 建立客戶端並和服務端建立連線（三次握手）

-> 客戶端向服務端傳送資料'AB'

-> 服務端到資料後給客戶端傳送資料'AB'

-> 服務端收到資料向客戶端傳送收到的資料（當前即'AB'）

-> 客戶端和服務端斷開連線（四次揮手）

-> 使用Wireshark對建立連線（三次握手），傳輸資料，斷開連線（四次揮手）的過程進行分析

服務端程式碼：

客戶端程式碼：

上述程式碼的效果如下圖所示：

TCP請求響應效果圖

TCP建立連線效果圖

如上圖，Got connection from ('127.0.0.1', 62515)我們可以確定客戶端使用的埠是 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，並進行相應分析。

TCP三次握手

TCP通過三次握手建立連線，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 ，序列號是指傳送資料的位置。每傳送一次資料，就累加一次該資料位元組數的大小。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資料的序列號。

SYN 為Flags部分的 Syn ，Syn為1表示希望建立連線。

ACK 為Flags部分的 ACK ，Ack為1表示確認應答的欄位變為有效。

TCP第一次握手，客戶端向服務端傳送報文，關鍵資訊為Syn=1，Seq=0。如下圖所示，sequence number= x = 0，Syn=1。

TCP第一次握手

TCP第二次握手，服務端向客戶端傳送報文，關鍵資訊為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，客戶端向服務端傳送報文，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後，還有一次TCP Window Update。

TCP Window Update

TCP Window Update 是TCP通訊中的一個狀態，它可以發生的原因有很多，但最終歸結於傳送者傳輸資料的速度比接收者讀取的資料還快，這使得接受端的在緩衝區必須釋放一部分空間來裝傳送過來的資料，然後向傳送者傳送Windows Update，告訴給傳送者應該以多大的速度傳送資料，從而使得資料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，當前傳送者是客戶端，解釋下上一段文字的意思是，客戶端傳送的資料太快，服務端讀書資料慢，服務端向客戶端傳送了一個TCP Window Update的報文。

上述內容就是TCP建立連線的過程，下邊筆者給大家介紹下傳輸資料部分的內容：

TCP的資料傳輸過程：

檢視資料傳輸過程和之前建立連線部分，用的是下圖程式碼進行的分析：

程式碼內容和之前建立連線的程式碼一樣，只是添加了傳送資料和斷開連線的幾行程式碼。可見這次客戶端分配的埠號為 53262 。

在分析資料傳輸過程之前，筆者先對下邊會用到的名詞及工具做個簡單說明：

位元組即 byte ，位元即 bit ，1個位元組（byte）=8個位元（bit）。

ASCII碼：是基於拉丁字母的一套電腦編碼系統，主要用於顯示現代英語和其他西歐語言。它是現今最通用的單位元組編碼系統

ASCII碼對照表

舉個例子'A'的ASCII碼為0x41

基本的16進位制、2進位制、10進位制之間的轉換：

16進位制0x41對應2進製為 0100 0001對應10進製為4 * 16 + 1 = 65

線上進位制轉換

下邊筆者帶大家看一下資料傳輸部分的分析：

下圖表示客戶端s.send(b'A')以二進位制形式傳輸'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')並且服務端給予相應的迴應（服務端也給客戶端傳送收到的''）的過程

接收資料的部分Flags中的Acknowledgement 設定為1，表示確認應答的欄位有效
接收資料的部分Flags中的Push 設定為1表示表示接收方應該儘快把資料傳給上層應用協議

從源埠53262 ，目的埠20000 可以看出，下圖表示客戶端向服務端傳送訊息，傳送的資料為'AB'，'AB'的ASCII碼為0x4142。

客戶端向服務端傳送訊息

從源埠20000 ，目的埠53262 可以看出下圖表示服務端向客戶端反饋收到了訊息。

Acknowledgement number 為4是因為，服務端接接收了客戶端的2個位元組的資料，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訊息響應

從源埠20000 ，目的埠53262 可以看出，下圖表示服務端向客戶端傳送訊息，傳送的資料為'AB'，'AB'的ASCII碼為0x4142。

服務端給客戶端傳送訊息

從源埠53262 ，目的埠20000 可以看出下圖表示客戶端向服務端反饋收到了訊息。Acknowledgement number 為4是因為，客戶端接收了服務端的2個位元組的資料，在之前的服務端的Sequence number的基礎上加了2。

客戶端收到服務端訊息後的響應

TCP斷開連線四次揮手

TCP斷開連線示意圖如下：

TCP斷開連線示意圖

對應的Python的客戶端程式碼s.shutdown(2)，客戶端主動斷開連線的。

斷開連線的Flags中Fin是設定為1的，表示希望斷開連線。
斷開連線的Flags中Ack是設定為1的，表示確認應答欄位有效。

響應的Wireshark抓包分析如下：

TCP斷開連線第一次揮手，從源埠53262到目的埠20000 ，可以看出是客戶端主動斷開連線的。Flags中的Fin是設定為1的，Sequence number為7。

TCP斷開連線第一次揮手

TCP斷開連線第二次揮手，從源埠20000到目的埠53262 ，可以看出是服務端給予客戶端斷開連線的響應。並且Acknowledge number對之前的客戶端的Sequence number做了加1操作。

TCP斷開連線第二次揮手

TCP斷開連線第三次揮手，從源埠20000到目的埠53262 ，Flags中的Fin是設定為1的，可以看出是服務端向客戶端傳送斷開連線的。Sequence number為7。

TCP斷開連線第三次揮手

TCP斷開連線第四次揮手，從源埠53262到目的埠20000 ，可以看出是客戶端給予服務端斷開連線的響應。並且Acknowledge number對之前的服務端的Sequence number做了加1操作。

TCP斷開連線第四次揮手

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資料在IP資料報中的封裝及TCP包首部

後來和昆哥一起交流，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

參考內容：

Wireshark資料包實戰講解
TCP/IP詳解
圖解TCP/IP
https://www.ibm.com/support/knowledgecenter/en/SSLTBW_2.3.0/com.ibm.zos.v2r3.halc001/ipcicint_protocol.htm
https://www.iana.org/assignments/address-family-numbers/address-family-numbers.xhtml
https://python3-cookbook.readthedocs.io/zh_CN/latest/c11/p02_creating_tcp_server.html#id1

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