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Wireshark-TCP协议分析(包结构以及连接的建立和释放)

网络技术 奇跡の海 11个月前 (05-05) 268次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码

TCP:传输控制协议

TCP是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。
面向连接: 面向连接意味着使用tcp的应用程序在传输数据前必须先建立连接,就如打电话一样,要先进行拨号,等待对方响应才能开始说话。
可靠性:tcp协议通过下列方式来提高可靠性:

  • 应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块。这和UDP完全不同,应用程序产生的数据报长度将保持不变。由TCP传递给I P的信息单位称为报文段或段
  • 当TCP发出一个段后,它启动一个定时器,等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认,将重发这个报文段。
  • 当TCP收到发自TCP连接另一端的数据,它将发送一个确认。这个确认不是立即发送,通常将推迟几分之一秒。
  • TCP将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和,目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错,TCP将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段(希望发端超时并重发)。
  • 既然TCP报文段作为IP数据报来传输,而IP数据报的到达可能会失序,因此TCP报文段的到达也可能会失序。如果必要,TCP将对收到的数据进行重新排序,将收到的数据以正确的顺序交给应用层。
  • 既然I P数据报会发生重复,TCP的接收端必须丢弃重复的数据。
  • TCP还能提供流量控制。TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。TCP的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲
    区溢出。

    字节流:两个应用程序通过TCP连接交换8 bit字节构成的字节流。

    另外,TCP对字节流的内容不作任何解释。TCP不知道传输的数据字节流是二进制数据,还是ASCII字符或者其他类型数据。对字节流的解释由TCP连接双方的应用层解释。

TCP首部格式

tcp数据是被封装在IP数据包中的,和udp类似,在IP数据包的数据部分。tcp数据包的格式如下:

Wireshark-TCP协议分析(包结构以及连接的建立和释放)

源端口号和目的端口号与udp中类似,用于寻找发端和收端应用进程。这两个值加上IP首部中的源端IP地址和目的端IP地址唯一确定一个TCP连接,在网络编程中,一般一个IP地址和一个端口号组合称为一个套接字(socket)。
序号:用来标识从TCP发端向TCP收端发送的数据字节流,它表示在这个报文段中的的第一个数据字节。在tcp中tcp用序号对每个字节进行计数(这个值与发送的帧数没有关系,而是与发送的数据字节数有关系,后面会有说明)。
确认序号:包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号。因此,确认序号应当是上次已成功收到数据字节序号加 1(不是单纯的序号加1,还包括数据字节数)。
首部长度:用于记录tcp数据报首部的长度,一般为20字节,实际值为首部长度除以4。
URG: 紧急指针( urgent pointer)有效。
ACK: 确认序号有效。
PSH: 接收方应该尽快将这个报文段交给应用层。
RST: 重建连接。
SYN: 同步序号用来发起一个连接。
FIN: 发端完成发送任务。
窗口大小:用于流量控制。
检验和:检验和覆盖了整个的 TCP报文段: TCP首部和TCP数据,与udp相似需要计算伪首部。

Wireshark抓包分析TCP结构

利用wireshark抓取一个tcp数据包,查看其具体数据结构和实际的数据:

Wireshark-TCP协议分析(包结构以及连接的建立和释放)

Wireshark-TCP协议分析(包结构以及连接的建立和释放)

TCP连接的建立

利用TCP传输数据前,需要建立tcp连接,tcp连接的建立有3个主要过程,叫做3次握手,具体过程如下图所示:
Wireshark-TCP协议分析(包结构以及连接的建立和释放)


过程:
1. 首先客户端发送一个SYN包给服务器(SYN=1,Seq为主机选择的这个连接的初始序号),然后等待应答。
2. 服务器端收到SYN包,回应给客户端一个ACK =x+1、SYN=1的TCP数据段(ACK表示确认序号有效,即收到上一个包,这里加1并不是ACK的值加1,ACK是一个标志位,这里会变成1,而x+1则是希望收到的下一个包的序列号,这个值放在包的确认序列号字段中,而只有ACK=1时,确认序列号才有效)。
3. 客户必须再次回应服务器端一个ACK确认数据段(这里的Seq为x+1)。

经过上面3个过程就建立了一个tcp连接,接着就可以发送数据了,因为建立连接使用了一个序列号x,所以发送数据的第一个字节序号为x+1。

注意:这里tcp为应用层提供全双工服务,意味数据能在两个方向上独立地进行传输,因此连接的每一段都有各自的传输数据序号(对应于上图中的x和y,这两个值是没有必然联系的)。

Wireshark抓包分析TCP3次握手

下面通过利用http应用层连接一个网络,实现tcp的3次握手和简单的数据交换过程,下面通过抓包来实际观察这个过程,首先我们先看看抓到的包:
Wireshark-TCP协议分析(包结构以及连接的建立和释放)

从第一行的tcp往下看,前面3个tcp包为3次握手的过程,接着http包说明成功建立连接,主机向服务器发送一个http应用请求,服务器收到请求后,返回一个tcp确认帧,接着发送一个http应答给主机,主机收到服务器的http应答数据后,又发送一个tcp确认帧,确认收到了数据。这样图中的前7个包实现了主机和服务器建立连接,并实现一次简单的数据请求应答过程。即下图所示的交互按键回显过程:

Wireshark-TCP协议分析(包结构以及连接的建立和释放)

接下来是按照顺序的7个数据帧的数据结构。数据帧顺序分别为:

1. 主机发起一个tcp连接请求(tcp),
2. 服务器响应连接请求(tcp),
3. 主机返回ACK完成3次握手成功建立连接(tcp),
4. 主机发送一个http网页请求(http),
5. 服务器收到请求返回一个ACK帧(tcp),
6. 服务器根据请求发送数据到主机(http),
7. 主机收到服务器数据返回一个ACK帧(tcp),具体帧细节见下图:

Wireshark-TCP协议分析(包结构以及连接的建立和释放)

Wireshark-TCP协议分析(包结构以及连接的建立和释放)

Wireshark-TCP协议分析(包结构以及连接的建立和释放)

Wireshark-TCP协议分析(包结构以及连接的建立和释放)

Wireshark-TCP协议分析(包结构以及连接的建立和释放)

Wireshark-TCP协议分析(包结构以及连接的建立和释放)

Wireshark-TCP协议分析(包结构以及连接的建立和释放)

TCP连接的释放

当通信双方完成数据传输,需要进行TCP连接的释放,由于TCP连接是全双工的,因此每个方向都必须单独进行关闭。这个原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动,一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方执行被动关闭。因为正常关闭过程需要发送4个TCP帧,因此这个过程也叫作4次挥手。具体过程如下图:
Wireshark-TCP协议分析(包结构以及连接的建立和释放)

过程(默认客户端发起关闭):
1. TCP客户端发送一个FIN,关闭客户端到服务器端的数据传送。(客户端不再发送报文给服务器端,但可接受服务器端报文)
2. 服务器收到这个FIN,它发回一个ACK,确认序号为收到的序号加1。
3.服务器关闭客户端的连接,发送一个FIN给客户端。(服务器端关闭到客户端的数据传送)
4.客户段发回ACK报文确认,并将确认序号设置为收到序号加1。

下面通过wireshark抓包了解具体的释放连接过程,通过断开一个连接,抓取到4个TCP帧,帧顺序依次为:

1. 主动关闭放发送一个FIN帧给被动方
2. 被动方收到关闭信息返回一个确认ACK帧
3. 被动方发送一个FIN帧给主动方
4. 主动方收到被动方的FIN关闭信息返回一个ACK帧,连接释放

下面为按照顺序的帧数据结构详细信息:

Wireshark-TCP协议分析(包结构以及连接的建立和释放)

Wireshark-TCP协议分析(包结构以及连接的建立和释放)

Wireshark-TCP协议分析(包结构以及连接的建立和释放)

Wireshark-TCP协议分析(包结构以及连接的建立和释放)

TCP的最大报文段长度

上面介绍了TCP连接的建立和释放过程,下面介绍一下TCP的最大报文段长度。
最大报文段长度(MSS)表示TCP传往另一端的最大块数据的长度。当一个连接建立时,连接的双方都要通告各自的MSS。一般来说,MSS越大越好,因为报文段越大允许每个报文段传送的数据就越多,相对IP和TCP首部有更高的网络利用率。
MSS选项只能出现在SYN报文段中,所以只能在SYN=1的帧中才会有MSS选项说明报文的最大段长度。
具体参考:
http://baike.baidu.com/link?url=c-fTckuehGMSiI5c2xCQDe3MUOKRwgdK6Q4CeO3tms8s6V3hIv5OmOQvUJvp67e90jUDAIjZfmhk8deiIjw1tK

其他

关于TCP的内容还有很多,这里不再详细说明,但是需要知道,TCP连接的建立和释放还有几种比较特殊的情况,同时打开(SYN)建立连接,同时关闭或半关闭来释放连接的情况都是存在的,还有一些TCP的可选字段,这里都不再讲了,具体可以参考:TCP/IP 详解卷1。

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