前一段時間通過Wireshark抓包，定位了一個客戶端和服務器之間數據傳輸的問題。最近就抽空看了看《TCP/IP詳解 卷1》中關於TCP的部分，書中用了很多例子展示了TCP/IP協議中的一些基本概念。
所以，也准備自己動手，通過一些簡單的實驗來進一步了解一下TCP中的一些基本概念。
環境搭建和配置
在開始進行實驗之前，首先看看實驗環境的搭建：
- Wireshark：用來抓取網絡上的包，可以清楚的看到TCP/IP協議層，以及每層的詳細信息，通過此處下載
- 一台虛擬機：如果客戶端和服務端都在本機，那么數據通信是不經過網卡的，所以Wireshark就抓不到任何數據包。方便的辦法就是本機安裝一個虛擬機，通過本機和虛擬機通信進行實驗。我使用的是VirtualBox+winXP.
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Pcap.Net：是一個WinPcap的.NET wrapper，基於這個庫，我們就可以很方便的通過C#代碼來實現下面功能（通過 此處下載）：
- 獲取網絡設備
- 接收、解析數據包
- 創建、發送數據包
在建立好實驗環境之后，還需要進行一些簡單的配置，保證宿主機和虛擬機之間的網絡是暢通的。
將虛擬機網絡設置為"Host-only Adapter"模式。
虛擬機網絡設置好之后，就可以配置本機和虛擬機IP地址了，然后保證宿主機可以ping通虛擬機。
環境驗證
通過上面的步驟，簡單的實驗環境就建立完成了，下面就要來實現客戶端和服務端了，試試實驗環境是否能夠正常工作。
服務端
首先，將虛擬機（192.168.56.102）作為服務端，運行下面一段代碼創建一個簡單的socket server，服務端綁定192.168.56.102：8081：
import sys from socket import * HOST = "192.168.56.102" PORT = 8081 BUFSIZ = 1024 ADDR = (HOST, PORT) server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM) print "Socket created" try: server.bind(ADDR) except error, msg: print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1] sys.exit() server.listen(10) print 'Socket now listening' while True: conn, addr = server.accept() try: data = conn.recv(100) if data: print data except Exception, e: print e conn.close()
客戶端
客戶端的實現在本機（192.168.56.101），使用一段基於Pcap.Net的代碼向服務器發送一個[SYN]包（TCP連接建立需要進行三次握手，[SYN]包就是第一個握手包），來請求建立TCP連接。
在客戶端代碼中，通過Pcap.Net實現了兩個工具函數，一個用來獲取本機網卡設備列表，一個用在構造不同類型的TPC包。
獲取本機網卡設備列表代碼：
public static PacketDevice GetNICDevice() { // Retrieve the device list from the local machine IList<LivePacketDevice> allDevices = LivePacketDevice.AllLocalMachine; if (allDevices.Count == 0) { Console.WriteLine("No interfaces found! Make sure WinPcap is installed."); return null; } // Print the device list for (int i = 0; i != allDevices.Count; ++i) { LivePacketDevice device = allDevices[i]; Console.Write((i + 1) + ". " + device.Name); if (device.Description != null) Console.WriteLine(" (" + device.Description + ")"); else Console.WriteLine(" (No description available)"); } int deviceIndex = 0; do { Console.WriteLine("Enter the interface number (1-" + allDevices.Count + "):"); string deviceIndexString = Console.ReadLine(); if (!int.TryParse(deviceIndexString, out deviceIndex) || deviceIndex < 1 || deviceIndex > allDevices.Count) { deviceIndex = 0; } } while (deviceIndex == 0); return allDevices[deviceIndex - 1]; }
另一段重要的代碼就是構造TCP包的代碼，根據OSI七層模型，下面代碼中分別創建了鏈路層、網絡層和傳輸層的部分，然后生成一個數據包：
public static Packet BuildTcpPacket(EndPointInfo endPointInfo, TcpControlBits tcpControlBits, List<TcpOption> tcpOptionList = null) { EthernetLayer ethernetLayer = new EthernetLayer { Source = new MacAddress(endPointInfo.SourceMac), Destination = new MacAddress(endPointInfo.DestinationMac), EtherType = EthernetType.None, // Will be filled automatically. }; IpV4Layer ipV4Layer = new IpV4Layer { Source = new IpV4Address(endPointInfo.SourceIp), CurrentDestination = new IpV4Address(endPointInfo.DestinationIp), Fragmentation = IpV4Fragmentation.None, HeaderChecksum = null, // Will be filled automatically. Identification = 123, Options = IpV4Options.None, Protocol = null, // Will be filled automatically. Ttl = 10, TypeOfService = 0, }; TcpLayer tcpLayer = new TcpLayer { SourcePort = endPointInfo.SourcePort, DestinationPort = endPointInfo.DestinationPort, Checksum = null, // Will be filled automatically. SequenceNumber = seqNum, AcknowledgmentNumber = ackNum, ControlBits = tcpControlBits, Window = windowSize, UrgentPointer = 0, Options = (tcpOptionList == null) ? TcpOptions.None : new TcpOptions(tcpOptionList), }; PacketBuilder builder = new PacketBuilder(ethernetLayer, ipV4Layer, tcpLayer); return builder.Build(DateTime.Now); }
主程序中，首先配置了客戶端和服務器的端口、IP/MAC地址信息，然后通過前面兩個工具函數構造一個TCP連接建立請求包（[SYN]包），並通過"VirtualBox Host-Only Network"網卡發送給服務端。
static void Main(string[] args) { // Take the selected adapter PacketDevice selectedDevice = Utils.GetNICDevice(); // Open the output device using (PacketCommunicator communicator = selectedDevice.Open(System.Int32.MaxValue, // name of the device PacketDeviceOpenAttributes.Promiscuous, // promiscuous mode 1)) // read timeout { EndPointInfo endPointInfo = new EndPointInfo(); endPointInfo.SourceMac = "08:00:27:00:C0:D5"; endPointInfo.DestinationMac = "08:00:27:70:A6:AE"; endPointInfo.SourceIp = "192.168.56.101"; endPointInfo.DestinationIp = "192.168.56.102"; endPointInfo.SourcePort = 3330; endPointInfo.DestinationPort = 8081; using (BerkeleyPacketFilter filter = communicator.CreateFilter("tcp port " + endPointInfo.DestinationPort)) { // Set the filter communicator.SetFilter(filter); } communicator.SendPacket(Utils.BuildTcpPacket(endPointInfo, TcpControlBits.Synchronize, null)); PacketHandler(communicator, endPointInfo); } Console.WriteLine("Press Enter to Quit!"); Console.ReadLine(); } private static void PacketHandler(PacketCommunicator communicator, EndPointInfo endPointInfo) { Packet packet = null; do { PacketCommunicatorReceiveResult result = communicator.ReceivePacket(out packet); switch (result) { case PacketCommunicatorReceiveResult.Timeout: // Timeout elapsed continue; case PacketCommunicatorReceiveResult.Ok: Utils.PacketInfoPrinter(packet); break; default: throw new InvalidOperationException("The result " + result + " should never be reached here"); } } while (true); }
運行代碼
代碼完成了，下面看看運行效果，為了直觀的看到數據包的傳輸，這是就可以打開Wireshark了。
為了避免抓到不相關的數據包，可以設置Wireshark中的filter，然后開始抓取。
下面運行代碼，並選擇正確的網卡。通過console和Wireshark的輸出可以看到，我們成功的生產了一個[SYN]包並發送到了服務器。
根據TCP連接建立過程可以知道，客戶端發送[SYN]包后，期待從服務器得到一個[SYN, ACK]包。
到這里，說明前面搭建的環境，以及客戶端和服務端的代碼都是可以正常工作的了。
誰的[RST]包
從上面的結果中看到，客戶端在收到[SYN, ACK]包之后，發送了一個[RST]包重置這條TCP連接。
仔細查看了代碼發現，客戶端的代碼中並沒有發送[RST]包。那么這個[RST]包是哪里來的呢？
操作系統中有協議棧的概念，所以來自應用層的數據，都會一層層的經過操作系統協議棧處理，然后通過網卡發送出去。
當客戶端網卡收到[SYN, ACK]包后，這個包會被我們的Pcap.Net程序捕獲，也會被傳送給客戶端操作系統。由於通過Pcap.Net構造的[SYN]包是沒有經過操作系統協議棧的，所以操作系統會認為[SYN, ACK]包是一個無效TCP包，並通過[RST]包重置TCP連接。
到這里，多余[RST]包就可以解釋了。
避免[RST]包
為了避免操作系統協議棧對Pcap.Net程序的影響，通過IP安全策略（通過Run->"secpol.msc"打開設置）的設置，可以避免操作系統從本機（192.168.56.101）向虛擬機（192.168.56.102）發送數據包。
設置完成后，再次運行程序，這是程序就正常了。
由於客戶端沒有發送[ACK]包來確認來自服務端的[SYN, ACK]包，根據TCP工作原理，服務端會進行重傳。
總結
本文中介紹了TCP實驗環境的搭建，通過Pcap.Net創建了一個客戶端，可以構造不同類型的TCP數據包，並通過特定網卡向服務器發送。
后面繼續基於這個環境來看看TCP的一些基本概念，TCP連接、狀態變遷等等。