通过TCP回射服务器分析TCP协议基本流程(一)

本文将对一个简单的TCP回射服务器和客户端进行抓包，从而分析一次成功而理想TCP会话的基本流程，多次不成功或与预期不一致的抓包结果将在下篇博文进行分析

本文程序编译环境为：

Linux version 3.16.4-1-ARCH

gcc version 4.9.1 20140903 (prerelease)

Glibc 2.18

服务器代码如下：

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#define ERR_EXIT(exp) \
do\
{\
perror(exp);\
exit(EXIT_FAILURE);\
}while(0)

#define BUFSIZE 1024

int main(int argc, char *argv[])
{
if(argc != 2)
ERR_EXIT("Usage: a.out <port>");

int server_sock;
int client_sock;
struct sockaddr_in server_addr;
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t server_len;
socklen_t client_len;

server_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(server_sock == -1)
ERR_EXIT("socket");

memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
server_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
server_len = sizeof(server_addr);
client_len = sizeof(client_addr);

if(bind(server_sock, (struct sockaddr*)&server_addr, server_len) == -1)
ERR_EXIT("bind");

if(listen(server_sock, 5) == -1)
ERR_EXIT("listen");

client_sock = accept(server_sock, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len);
if(client_sock == -1)
ERR_EXIT("accept");
char buffer[BUFSIZE] = {0};
read(client_sock, buffer, BUFSIZE);
write(client_sock, buffer, strlen(buffer));

sleep(3);
close(client_sock);
close(server_sock);
return 0;
}

客户端代码如下：

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#define ERR_EXIT(exp) \
do\
{\
perror(exp);\
exit(EXIT_FAILURE);\
}while(0)

#define BUFSIZE 1024

int main(int argc, char *argv[])
{
if(argc != 3)
ERR_EXIT("Usage: a.out <server_ip> <port>");

int server_sock;
struct sockaddr_in server_addr;
socklen_t server_len;

server_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(server_sock == -1)
ERR_EXIT("socket");

server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
server_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
server_len = sizeof(server_addr);

if(connect(server_sock, (struct sockaddr*)&server_addr, server_len) == -1)
ERR_EXIT("connect");

char buffer[BUFSIZE] = "Hello World!";
write(server_sock, buffer, strlen(buffer));
memset(buffer, 0, BUFSIZE);
read(server_sock, buffer, BUFSIZE);
printf("%s\n", buffer);

sleep(1);
close(server_sock);
return 0;
}

首先展示抓包结果，这是一个完全符合书本理论的理想状况，下篇博客将会通过调试器等手段制造非理想状况，进而分析其行为，因此不对TCP包结构进行讨论，TCP包的WIN字段用于滑动窗口的控制，本文暂不涉及



首先：一次TCP会话的基本流程应该分为以下三步

与对方套接字建立连接

与对方套接字进行数据交换

断开与对方套接字的连接

下面即对抓包结果进行分析，从而分析出这三个步骤中实际发生了什么，需要说明的是，抓包得到的No序号和TCP包中seq和ack的序号不是一个东西，由于我使用SSH连接了测试机进行控制，因此抓包软件连同SSH的数据包一并抓取，造成与我们测试内容相关的数据包序号不连续，不过这并不影响我们的分析和理解

107号数据包，客户端发往服务端，SYN置位，表面消息类型为SYN，即同步消息，Seq=0，这是客户端首次请求连接时所产生的消息

seq的含义为“客户端发往服务端的seq为0，长度为0的数据包，等待服务端确认收到，并请求客户端发往服务端发送seq为1的数据包”

109号数据包，服务器收到了连接请求SYN，做出应答，应答消息的数据包中，SYN，ACK置位，即消息类型为SYN+ACK，Seq=0，Ack=1

Seq含义为“服务端将向客户端发送seq为0长度为0的数据包，等待客户端确认收到，并请求发送服务器发往客户端的seq为1的数据包”

Ack的含义为“服务端已收到客户端发往服务端的seq为0长度为0的数据包，客户端可以发送seq为1的数据包”

需要注意的是，在上文中我采用了“从a发往b的seq为n的长度为k数据包”，非常啰嗦，其原因在于

seq与ack值的增长并非是按照数据包数量增长的，其增量为传输的数据字节数，即LEN，其增长规则为：ack = seq + len

SYN消息和FIN消息会使seq增长1

与书本中的描述不同，书本描述中SYN包的seq和SYN+ACK包的seq不相同，造成一种“客户端套接字和服务端套接字发数据包seq是在一个线性空间中”的错觉，此处抓包结果已经展示出，客户端的seq和服务端的seq是独立位于两个线性空间中，互不干涉，没有查看TCP协议的标准文档，此处暂时存疑

110号数据包，客户端收到了服务端发来的SYN+ACK消息，做出ACK应答，seq为1，ack为1，含义可以参照上文，

107,109，110号数据包即TCP会话基本流程的第一步：与对方套接字建立连接，这个过程一共进行了三次数据包的传递，也就是俗称的三次握手

111号数据包由客户端发往服务端，PSH，ACK置位，seq=1，ack=1，len=12

112号数据包由服务端发往客户端，ACK置位，seq=1，ack=13，可以看出，服务端收到了客户端发来的seq为1，长度为12的数据包，并通知客户端可以发送seq为13的数据包，从而证实了，数据包seq的增量取决于传输的字节数

113号数据包由服务端发往客户端，即回射的数据，PSH，ACK置位，seq=1，ack=13，Len=12,

从这个包可以得出两点

在没有收到请求的数据包时，tcp会话的某一方会重新请求该数据包

tcp会话的某一方不会做出“某个数据包已经请求，以后将会收到”的假设

回顾之前的包，不难发现，所有的tcp包中都有seq和ack两个值，因此可以猜想，seq和ack是面向连接的TCP会话可靠性的重要保证和依赖，暂时没有查询标准文档，因此这儿仅作猜想

115号包，由客户端发往服务端，ACK置位，seq=13，ack=13，表明客户端成功接收了服务端回射的数据

111,112,113,115四个数据包展示了客户端服务端进行一次数据交换的过程，两个来回，并根据实际的业务逻辑而变化，这就是TCP会话中的第二步：与对方套接字进行数据交换

119号包，客户端发往服务端，FIN，ACK置位，表明即将断开连接，等待服务端回应

121号包，服务端发往客户端，ACK置位，对客户端的FIN请求做出了回应

123号包，服务端发往客户端，FIN，ACK置位，表明服务端也将断开和客户端的连接，等待客户端回应

124号包，客户端发往服务端，ACK置位，对服务端的断开请求进行回应，并真正断开(这么说并不确切，不过本文不进行深究)

119,121,123,124号包实现了一次TCP会话中的第三步：断开与对方套接字的连接，这个过程经历了四次数据包的传递，也就是俗称的四次挥手，至此，一次TCP会话成功完成，下篇博文将会讨论一次TCP会话中的状态转移，并分析一些和本文不同的抓包结果