動手學習TCP系列之TCP連接建立與終止
TCP是一個面向連接的協議，任何一方在發送數據之前，都必須先在雙方之間建立一條連接。所以，本文就主要看看TCP連接的建立和終止。
在開始介紹TCP連接之前，先來看看TCP數據包的首部，首部里面有很多重要的字段，在我們實現程序的時候需要進行設置。
TCP的首部
在OSI七層模型中，上層的數據包都會作為下層數據包的數據部分(payload)。
也就是說，當構造TCP數據包的時候，會把應用層的數據包作為TCP包的數據部分，然后加上TCP頭構成TCP數據包;同樣，當構造IP數據包的時候，整個TCP包就會被當作數據部分，然后加上IP頭構成IP數據包。
TCP頭的數據格式如下，在不包括可選字段的情況下，一般TCP頭會占用20個字節。
在TCP首部中，有幾個字段是需要關注一下：
在TCP首部中沒有源和目標的IP、MAC地址(IP和MAC地址分別是網絡層和鏈路層首部的信息)，只有源和目標的端口
Sequence Number是包的序號，網絡層(IP層)的傳輸是不可靠的，可能產生包亂序，所以這個需要可以解決網絡包亂序的問題
Acknowledgement Number用來確認收到數據包的確認序號，為TCP的傳輸提供了可靠性保證
TCP Flags包括了8個bit，通過對這些bit的設置，可以代表不同類型的TCP數據包
下面就看看TCP連接的建立和終止。
TCP連接建立
TCP連接建立的過程被稱為三次握手過程：
連接建立發起端發送[SYN]包，該端將主動打開(active open)
接收端將發送[SYN, ACK]包，該端將被動打開(passive open)，ACK標志表示對收到的[SYN]包的確認
連接建立發起端發送[ACK]包確認[SYN, ACK]包
Initial Sequence Number
連接建立過程中，一個重要的工作就是初始化Sequence Number，通信的雙方在建立連接的過程中互相通知對方自己的初始Sequence Number(ISN：Initial Sequence Number)。ISN不是固定的，ISN跟時鐘綁定，根據特定的間隔自增，直到超過2^32，又從0開始。
SYN全稱就是Synchronize Sequence Number，通過seq序號，TCP就可以保證數據包的順序;通過ack序號，TCP就有了可靠性。
連接建立注意點
在建立TCP連接的過程中，有以下兩點需要注意一下：
[SYN]標志的數據包會使用消耗一個序號，所以對端的確認號(ack)是當前序號(seq)加一
當被動打開端發送[ACK]確認包的時候，同時設置了[SYN]標志，所以TCP連接建立的過程只需要三次握手，而不是四次
TCP連接終止
TCP連接終止的過程被稱為四次揮手過程，以下圖為例：
連接終止端(client)發送[FIN, ACK] 包，關閉client到server方向的數據發送通路
server端發送[ACK]包來確認來自client的[FIN, ACK] 包
server端發送[FIN, ACK] 包，關閉server到client方向的數據發送通路
client端發送[ACK]包來確認來自server的[FIN, ACK] 包，到此TCP連接關閉
#p#
連接終止注意點
在建立TCP連接的過程中，有以下兩點需要注意一下：
[FIN]標志的數據包會使用消耗一個序號，所以對端的確認號(ack)是當前序號(seq)加一
與建立連接時的三次 握手不同，終止連接需要四次揮手
因為TCP連接是全雙工的，每個方向都必須單獨進行關閉。當一方完成它的數據發送任務后就能發送一個FIN來終止這個方向的連接。收到一個 FIN只意味著這一方向上沒有數據流動，但是TCP連接在收到一個FIN后仍能發送數據
TCP連接實驗
好了，了解了TCP連接建立和終止的基本知識后，就可以通過Pcap.Net來進行TCP連接建立和終止的實驗了。
建立連接代碼的基本流程如下：
client程序使用一個初始的seq序號(100)，然后生成并發送一個帶[SYN]標志的TCP包
client將期待來自服務端的[SYN, ACK]包
當收到[SYN, ACK]包之后，client需要生成并發送一個[ACK]包進行確認，這個[ACK]包的ack號是[SYN, ACK]包seq號加一
終止連接代碼的基本流程如下：
client程序delay 10秒鐘，然后發送[FIN, ACK]包關閉client到server的通路，繼續使用全局的seq號
client將期待來自服務端的[ACK]包，以及[FIN, ACK]包
***client發送[ACK]包，seq號需要加一，因為[FIN]標志的包將消耗一個序號，TCP連接終止完成
主程序如下，發送TCP連接建立和終止請求，每個請求發送后都用PacketHandler處理收到的包：
communicator.SendPacket(Utils.BuildTcpPacket(endPointInfo, TcpControlBits.Synchronize, null)); PacketHandler(communicator, endPointInfo); // delay 10 secs, then client to send Fin Thread.Sleep(10000); communicator.SendPacket(Utils.BuildTcpPacket(endPointInfo, TcpControlBits.Fin | TcpControlBits.Acknowledgment)); PacketHandler(communicator, endPointInfo);
程序的主要邏輯在PacketHandler中，這個函數根據收到的不同TCP包的類型完成不同的邏輯，產生并發送不同類型的包。
例如，當PacketHandler接收到來自服務端的[SYN, ACK]包后，處理函數就會生成并發送一個[ACK]確認包。也就是說，PacketHandler的邏輯就是實現了TCP連接建立和終止的邏輯。
private static void PacketHandler(PacketCommunicator communicator, EndPointInfo endPointInfo)
{
Packet packet = null;
bool running = true;
do
{
PacketCommunicatorReceiveResult result = communicator.ReceivePacket(out packet);
switch (result)
{
case PacketCommunicatorReceiveResult.Timeout:
// Timeout elapsed
continue;
case PacketCommunicatorReceiveResult.Ok:
bool isRecvedPacket = (packet.Ethernet.IpV4.Destination.ToString() == endPointInfo.SourceIp) ? true : false;
if (isRecvedPacket)
{
switch (packet.Ethernet.IpV4.Tcp.ControlBits)
{
case (TcpControlBits.Synchronize | TcpControlBits.Acknowledgment):
Utils.PacketInfoPrinter(packet);
Packet ack4SynAck = Utils.BuildTcpResponsePacket(packet, TcpControlBits.Acknowledgment);
communicator.SendPacket(ack4SynAck);
break;
case (TcpControlBits.Fin | TcpControlBits.Acknowledgment):
Utils.PacketInfoPrinter(packet);
Packet ack4FinAck = Utils.BuildTcpResponsePacket(packet, TcpControlBits.Acknowledgment);
communicator.SendPacket(ack4FinAck);
break;
case TcpControlBits.Acknowledgment:
Utils.PacketInfoPrinter(packet);
break;
default:
Utils.PacketInfoPrinter(packet);
break;
}
}
else
{
switch (packet.Ethernet.IpV4.Tcp.ControlBits)
{
case (TcpControlBits.Fin | TcpControlBits.Acknowledgment):
Utils.PacketInfoPrinter(packet);
break;
case TcpControlBits.Synchronize:
Utils.PacketInfoPrinter(packet);
break;
case TcpControlBits.Acknowledgment:
Utils.PacketInfoPrinter(packet);
running = false;
break;
default:
Utils.PacketInfoPrinter(packet);
break;
}
}
break;
default:
throw new InvalidOperationException("The result " + result + " should never be reached here");
}
} while (running);
}
#p#
在PacketHandler函數中用到了BuildTcpResponsePacket這個函數，這個函數根據收到的TCP包，來構建response包。
這個函數有下面幾個注意點：
該函數會根據收到的包，設置response包的源和目的地址
該函數會接受PacketHandler傳遞來的TCP flags，并設置到TCP首部中
該函數的另一個重要部分就是會計算并設置TCP首部中的seq好ack號，這一點很重要
public static Packet BuildTcpResponsePacket(Packet packet, TcpControlBits tcpControlBits)
{
EthernetLayer ethernetHeader = new EthernetLayer
{
Source = new MacAddress(packet.Ethernet.Destination.ToString()),
Destination = new MacAddress(packet.Ethernet.Source.ToString()),
EtherType = EthernetType.None, // Will be filled automatically.
};
IpV4Layer ipHeader = new IpV4Layer
{
Source = new IpV4Address(packet.Ethernet.IpV4.Destination.ToString()),
CurrentDestination = new IpV4Address(packet.Ethernet.IpV4.Source.ToString()),
Fragmentation = IpV4Fragmentation.None,
HeaderChecksum = null, // Will be filled automatically.
Identification = 123,
Options = IpV4Options.None,
Protocol = null, // Will be filled automatically.
Ttl = 100,
TypeOfService = 0,
};
TcpLayer tcpHeader = new TcpLayer
{
SourcePort = packet.Ethernet.IpV4.Tcp.DestinationPort,
DestinationPort = packet.Ethernet.IpV4.Tcp.SourcePort,
Checksum = null, // Will be filled automatically.
SequenceNumber = seqNum = packet.Ethernet.IpV4.Tcp.AcknowledgmentNumber,
AcknowledgmentNumber = ackNum = packet.Ethernet.IpV4.Tcp.SequenceNumber + (uint)((packet.Ethernet.IpV4.Tcp.Payload.Length > 0) ? packet.Ethernet.IpV4.Tcp.Payload.Length : 1),
ControlBits = tcpControlBits,
Window = windowSize,
UrgentPointer = 0,
Options = TcpOptions.None,
};
PacketBuilder builder = new PacketBuilder(ethernetHeader, ipHeader, tcpHeader);
return builder.Build(DateTime.Now);
}
運行效果
打開Wireshark監聽"VirtualBox Host-Only Network"網卡，并設置filter為"port 8081"。
然后運行程序，通過console可以看到客戶端發送的包，以及服務端返回的包，通過這些包完成了TCP連接的建立和終止。
下面是Wireshark中顯示的結果，Wireshark比較友好，會顯示相對seq號，所以看到的都是從0開始編號。
注意seq號和ack號的變化，[SYN]和[FIN]標志的TCP包都會消耗一個序號。
總結
本文介紹了TCP首部，通過設置TCP首部中的[SYN]標志，可以構造TCP連接建立請求包;通過設置[FIN]標志，可以構造TCP連接終止請求包。
文中使用Pcap.Net構建了一個簡單的客戶端，完成了向服務器建立(三次握手)和終止(四次揮手)連接的過程。
通過這個實驗，一定會對TCP連接的建立和終止有一個比較直觀的認識。
