動手學習TCP：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：

1. 連接建立發起端發送[SYN]包，該端將主動打開（active open）
2. 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
3. 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跟時鍾綁定，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：

1. [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
2. 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：

1. 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
2. server端發送[ACK]包來確認來自client的[FIN, ACK] 包
3. server端發送[FIN, ACK] 包，關閉server到client方向的數據發送通路
4. client端發送[ACK]包來確認來自server的[FIN, ACK] 包，到此TCP連接關閉

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只意味着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：

1. client程序使用一個初始的seq序號（100），然后生成並發送一個帶[SYN]標志的TCP包
2. client將期待來自服務端的[SYN, ACK]包
3. 當收到[SYN, ACK]包之后，client需要生成並發送一個[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：

1. client程序delay 10秒鍾，然后發送[FIN, ACK]包關閉client到server的通路，繼續使用全局的seq號
2. client將期待來自服務端的[ACK]包，以及[FIN, ACK]包
3. 最后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，產生並發送不同類型的包。

例如，當PacketHandler接收到來自服務端的[SYN, ACK]包后，處理函數就會生成並發送一個[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);

}

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，並設置到TCP首部中
• 該函數的另一個重要部分就是會計算並設置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，並設置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。