TCP通信流程解析
Posted ABC-ruifeng
tags:
篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了TCP通信流程解析相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
原作者：phunxm
B/S通信简述
整个计算机网络的实现体现为协议的实现，TCP/IP协议是Internet的核心协议，HTTP协议是比TCP更高层次的应用层协议。
HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议）是互联网上应用最为广泛的一种网络协议。所有的WWW文件都必须遵守这个标准。设计HTTP的初衷是为了提供一种发布和接收html页面的方法。
浏览器（Web Browser）负责与服务器建立连接，下载网页（包括资源文件及JS脚本文件）到本地，并最终渲染出页面。JS脚本文件运行在客户端，负责客户端一些行为响应或预处理，例如提交表单前的数据校验、鼠标事件处理等交互。由此可见，浏览器（Browser）一方面充当了C/S通信架构中C角色，另一方面它是HTML/javascript的解析渲染引擎（Analyze Render Engine）。
当在浏览器地址栏敲入“http://www.baidu.com/”并按下回车键时，浏览器中将呈现出百度搜索引擎首页。这样一种情景我们再熟悉不过，本文通过wireshark抓取这一过程的数据包，结合TCP协议分析HTTP通信的基本流程。
MTU和MSS
本文用到的抓包工具为wireshark，它的前身是赫赫有名的Ethereal。wireshark以太网帧的封包格式为：
----------------------------------------------------------------------------------------------------
Frame=Ethernet Header +IP Header +TCP Header +TCP Segment Data
----------------------------------------------------------------------------------------------------
（1）Ethernet Header =14 Byte =Dst Physical Address（6 Byte）+ Src Physical Address（6 Byte）+Type（2 Byte），以太网帧头以下称之为数据帧。
（2）IP Header =20 Byte（without options field），数据在IP层称为Datagram，分片称为Fragment。
（3）TCP Header = 20 Byte（without options field），数据在TCP层称为Stream，分段称为Segment（UDP中称为Message）。
（4）54个字节后为TCP数据负载部分（Data Portion），即应用层用户数据。
Ethernet Header以下的IP数据报最大传输单位为MTU（Maximum Transmission Unit，Effect of short board），对于大多数使用以太网的局域网来说，MTU=1500。
TCP数据包每次能够传输的最大数据分段为MSS，为了达到最佳的传输效能，在建立TCP连接时双方将协商MSS值——双方提供的MSS值中的最小值为这次连接的最大MSS值。MSS往往基于MTU计算出来，通常MSS=MTU-sizeof(IP Header)-sizeof(TCP Header)=1500-20-20=1460。
这样，数据经过本地TCP层分段后，交给本地IP层，在本地IP层就不需要分片了。但是在下一跳路由（Next Hop）的邻居路由器上可能发生IP分片！因为路由器的网卡的MTU可能小于需要转发的IP数据报的大小。这时候，在路由器上可能发生两种情况：
（1）如果源发送端设置了这个IP数据包可以分片（May Fragment，DF=0），路由器将IP数据报分片后转发。
（2）如果源发送端设置了这个IP数据报不可以分片（Don’t Fragment，DF=1），路由器将IP数据报丢弃，并发送ICMP分片错误消息给源发送端。
关于MTU的探测，参考《Path MTU discovery》。我们可以通过基于ICMP协议的ping命令来探测从本机出发到目标机器上路由上的MTU，详见下文。
TCP和UDP
在基于传输层（TCP/UDP）的应用开发中，为了最后的程序优化，应避免端到端的任何一个节点上出现IP分片。TCP的MSS协商机制加上序列号确认机制，基本上能够保证数据的可靠传输。
UDP协议在IP协议的基础上，只增加了传输层的端口（Source Port+Destination Port）、UDP数据包长（Length = Header+Data）以及检验和（Checksum）。因此，基于UDP开发应用程序时，数据包需要结合IP分片情况考虑。对于以太局域网，往往取UDP数据包长Length<=MTU-sizeof(IP Header)=1480，故UDP数据负载量小于或等于1472（Length-UDP Header）；对于公网，ipv4最小MTU为576，UDP数据负载量小于或等于548。
“向外”NAT在内网和公网之间提供了一个“不对称”桥的映射。“向外”NAT在默认情况下只允许向外的session穿越NAT：从外向内的的数据包都会被丢弃掉，除非NAT设备事先已经定义了这些从外向内的数据包是已存在的内网session的一部分。对于一方在LAN，一方在WAN的UDP通信，鉴于UDP通信不事先建立虚拟链路，NAT后面的LAN通信方需先发送消息给WAN通信方以洞穿NAT，然后才可以进行双向通信，这即是常提到的“UDP打洞（Hole Punching）”问题。
TCP连接百度过程解析
下文对百度的完整抓包建立在不使用缓存的基础上。如若主机存有百度站点的cookie和脱机缓存（Offline Cache），则不会再请求地址栏图标favicon.ico；请求/js/bdsug.js?v=1.0.3.0可能回应“HTTP/1.1 304 Not Modified”。可在浏览器打开百度首页后，Ctrl+F5强制刷新，不使用缓存，也可参考《浏览器清除缓存方法》。
以下为访问百度过程，wireshark抓包数据。对于直接通过Ethernet联网的机器，Wireshark Capture Filter为"host www.baidu.com"；对于通过PPP over Ethernet（PPPoE）联网的机器，Wireshark Capture Filter为"pppoes and host www.baidu.com"。以下抓包示例直接通过Ethernet联网访问百度的过程。可点击下面的图片超链接下载pcap文件，使用wireshark软件打开查看。
为方便起见，以下将客户端（浏览器）简称为C，将服务器（百度后台）简称为S。
1．TCP三次握手建立连接
“http://”标识WWW访问协议为HTTP，根据规则，只有底层协议建立连接之后才能进行更高层协议的连接。在浏览器地址栏输入地址后按下回车键的瞬间，C建立与S（机器名为www.baidu.com，DNS解析出来的IP为220.181.6.175）的TCP 80连接（HTTP默认使用TCP 80端口）。
以下为三次握手建立TCP连接的数据包（Packet1-Packet3）。
/****************************************************************************************************
1 192.168.89.125:5672→220.181.6.175:80 TCP(协议) 62(以太网帧长)
amqp > http [SYN] Seq=0 Win=65535 Len=0 MSS=1460 SACK_PERM=1
2 220.181.6.175:80→192.168.89.125:5672 TCP 62
http > amqp [SYN, ACK] Seq=0 Ack=1 Win=8192 Len=0 MSS=1460 SACK_PERM=1
3 192.168.89.125:5672→220.181.6.175:80 TCP 54
amqp > http [ACK] Seq=1 Ack=1 Win=65535 Len=0
****************************************************************************************************/
三次握手建立TCP连接的流程如下：
C(Browser) S(www.baidu.com)
1. CLOSED LISTEN
2. SYN-SENT →<SEQ=0><CTL=SYN> → SYN-RECEIVED
3. ESTABLISHED← <SEQ=0><ACK=1><CTL=SYN,ACK> ← SYN-RECEIVED
4. ESTABLISHED→ <SEQ=1><ACK=1><CTL=ACK> → ESTABLISHED
3-Way Handshake for Connection Synchronization
三次握手的socket层执行逻辑
S调用socket的listen函数进入监听状态；C调用connect函数连接S：[SYN]，S调用accept函数接受C的连接并发起与C方向上的连接：[SYN,ACK]。C发送[ACK]完成三次握手，connect函数返回；S收到C发送的[ACK]后，accept函数返回。
关于Seq和Ack
Seq即Sequence Number，为源端（source）的发送序列号；Ack即Acknowledgment Number，为目的端（destination）的接收确认序列号。在Wireshark Display Filter中，可使用tcp.seq或tcp.ack过滤。
在Packet1中，C:5672向S:80发送SYN握手包，Seq=0(relative sequence number)；在Packet2中，S:80向C:5672发送ACK握手回应包，Ack=1(relative sequence number)，同时发送SYN握手包，Seq=0(relative sequence number)；在Packet3中，C:5672向S:80发送ACK握手回应包，Seq=1，Ack=1。
至此，Seq=1为C的ISN（Initial Sequence Number），后期某一时刻的Seq=ISN+累计发送量(cumulative sent)；Ack=1为C的IAN（Initial Acknowledge Number），后期某一时刻的Ack=IAN+累计接收量(cumulative received)。对于S而言，Seq和Ack情同此理。
参考：《TCP Analyze Sequence Numbers》、《Understanding TCP Sequence and Acknowledgement Numbers》
2．TCP获取网站数据流程
连接建立后，下一步发送（“GET / HTTP/1.1”）请求（Request）HTML页面，这里“/”表示S的默认首页，“GET”为HTTP Request Method；“/”为Request-URI，这里为相对地址；HTTP/1.1表示使用的HTTP协议版本号为1.1。
以下为HTTP GET请求数据包（Packet4）。
/****************************************************************************************************
4 192.168.89.125:5672→220.181.6.175:80 HTTP 417
GET / HTTP/1.1
****************************************************************************************************/
HTTP GET报文长=417-54=363个字节，其中Next sequence number: 364(relative sequence number)表示，若在规定的时间内收到S响应Ack=364，表明该报文发送成功，可以发送下一个报文（Seq=364）；否则重传（TCP Retransmitssion）。序列号确认机制是TCP可靠性传输的保障。
S（http）收到HTTP GET报文（共363个字节），向C（amqp）发送TCP确认报文（Packet5）。
/****************************************************************************************************
5 220.181.6.175:80→ 192.168.89.125:5672 TCP 60
http > amqp [ACK] Seq=1 Ack=364 Win=6432 Len=0
****************************************************************************************************/
这里Seq=1,为S的ISN，意为已发送过SYN。Packet2中，Ack=1为S的IAN。这里的Ack-IAN=364-1=363表示S已经从C接收到363个字节，即HTTP GET报文。同时，Ack=364也是S期待C发送的下一个TCP报文序列号（上面分析的Next sequence number）。
接下来，S向C发送Http Response，根据HTTP协议，先发响应头（Response Header），再发百度首页HTML文件。
Http Response Header报文（Packet6）如下。
/****************************************************************************************************
6 220.181.6.175:80→ 192.168.89.125:5672 TCP 465
[TCP segment of a reassembled PDU]
****************************************************************************************************/
其部分内容如下：
======================================
HTTP/1.1 200 OK
……
Content-Length: 2139
Content-Type: text/html;charset=gb2312
Content-Encoding: gzip
======================================
S响应C的“GET / HTTP/1.1”请求，先发送带[PSH]标识的411个字节的Http Response Header（Packet 6）。
TCP头部[PSH]标识置位，敦促C将缓存的数据推送给应用程序，即先处理Http Response Header，实际上是一种“截流”通知。相应C的socket调用send时在IPPROTO_TCP选项级别设置TCP_NODELAY为TRUE禁用Nagle算法可以“保留发送边界”，以防粘连。
尽管握手协商的MSS为1460，但服务器或者代理平衡服务器，每次发送过来的TCP数据最多只有1420个字节。可以使用ping -f -l size target_name命令向指定目标target_name发送指定字节量的ICMP报文，其中-l size指定发送缓冲区的大小；-f则表示在IP数据报中设置不分片DF（Don’t Fragment），这样便可探测出到目标路径上的MTU。
执行“ping -f -l 1452 www.baidu.com”的结果如下：
220.181.6.18的 Ping统计信息:
数据包:已发送 = 4，已接收 = 4，丢失 = 0 (0%丢失)
执行“ping -f -l 1453 www.baidu.com”的结果如下：
需要拆分数据包但是设置 DF。
220.181.6.18的 Ping统计信息:
数据包:已发送 = 4，已接收 = 0，丢失 = 4 (100%丢失)
从以上ping结果可知，在不分片时，从本机出发到百度的路由上能通过的最大数据量为1452，由此推算出MTUlocal,baidu=sizeof(IP Header)+ sizeof(ICMP Header)+sizeof(ICMP Data Portion)=20+8+1452=1480。
S调用socket的send函数发送2139个字节的Http Response Content（Packet 7、Packet 9），在TCP层将分解为两段（segment）后再发出去。
/****************************************************************************************************
7 220.181.6.175:80→ 192.168.89.125:5672 TCP 1474
[TCP segment of a reassembled PDU]
----------------------------------------------------------------------------------------------------
由“Content-Length: 2139”可知，HTML文件还有2139-(1474-54)=719个字节。但此时，C已经发送了确认报文（Packet8）。
/****************************************************************************************************
8 192.168.89.125:5672→ 220.181.6.175:80 TCP 54
amqp > http [ACK] Seq=364 Ack=1832 Win=65535 Len=0
****************************************************************************************************/
Seq-ISN=364-1=363，表示C已经发出了363个字节，上边已经收到了S的确认。Ack-IAN=1832-1=(465-54)+(1474-54)，表示C至此已经接收到S发来的1831个字节。
接下来，C收到HTML文件剩余的719个字节，报文（Packet9）如下。
/****************************************************************************************************
9 220.181.6.175:80→ 192.168.89.125:5672 HTTP 773
HTTP/1.1 200 OK
****************************************************************************************************/
至此，C收到S发送过来的全部HTTP响应报文，即百度首页HTML内容(text/html)。
Packet6、Packet7和Packet9的ACK都是364，这是因为这三个segment都是针对Packet4的TCP响应。S将百度首页HTML文件（一个完整的HTTP报文）按照MSS分段提交给TCP层。在Wireshark中可以看到Packet9的报文中有以下reassemble信息：
[Reassembled TCP segments (2555 bytes): #6(411),#7(1420),#9(719)]
[Frame: 6, payload: 0-410(411 bytes)]
[Frame: 7, payload: 411-1830(1420 bytes)]
[Frame: 9, payload: 1831-2549(719 bytes)]
C（amqp）接收到百度首页的HTML文件后，开始解析渲染。在解析过程中，发现页面中含有百度的logo资源baidu_logo.gif，并且需要bdsug.js脚本。
<img src="http://www.baidu.com/img/baidu_logo.gif" width="270" height="129" usemap="#mp">
d.write('<script src=http://www.baidu.com/js/bdsug.js?v=1.0.3.0><//script>')
于是上面那个连接（C:5672）继续向S请求logo图标资源，报文（Packet10）如下。
/****************************************************************************************************
10 192.168.89.125:5672→ 220.181.6.175:80 HTTP 492
GET /img/baidu_logo.gif HTTP/1.1
****************************************************************************************************/
与此同时，C（jms）新建一个连接（TCP 5673）向S请求js脚本文件。报文（Packet11）如下。
/****************************************************************************************************
11 192.168.89.125:5673→ 220.181.6.175:80 TCP 62
jms > http [SYN] Seq=0 Win=65535 Len=0 MSS=1460 SACK_PERM=1
****************************************************************************************************/
（Packet12）Packet13、Packet14、Packet16和Packet17为对Packet10的TCP响应（它们的Ack=802），在逻辑上它们是一个完整的TCP报文。其Http Response Content为图片文件baidu_logo.gif。我们在Wireshark中可以看到Packet17的报文中有以下reassemble信息：
[Reassembled TCP segments (1801 bytes): #13(312),#14(1420),#16(28) ,#17(41)]
[Frame: 13, payload: 0-311(312 bytes)]
[Frame: 14, payload: 312-1731(1420 bytes)]
[Frame: 16, payload: 1732-1759(28 bytes)]
[Frame: 17, payload: 1760-1800(41 bytes)]
Packet11-Packet19-Packet20完成新连接的三次握手。然后，C（jms）发送“GET /js/bdsug.js?v=1.0.3.0 HTTP/1.1”报文（Packet21），以获取bdsug.js脚本文件。
/****************************************************************************************************
21 192.168.89.125:5673→ 220.181.6.175:80 HTTP 465
GET /js/bdsug.js?v=1.0.3.0 HTTP/1.1
****************************************************************************************************/
（Packet22）Packet23、Packet24、Packet26和Packet27为对Packet21的TCP响应（它们的Ack=412），在逻辑上它们是一个完整的TCP报文。其Http Response Content为脚本文件bdsug.js。我们在Wireshark中可以看到Packet27的报文中有以下reassemble信息：
[Reassembled TCP segments (3897 bytes): #23(310),#24(1420),#26(1420) ,#27(747)]
[Frame: 23, payload: 0-309(310 bytes)]
[Frame: 24, payload: 310-1729(1420 bytes)]
[Frame: 26, payload: 1730-3149(1420 bytes)]
[Frame: 27, payload: 3150-3896(747 bytes)]
通常，浏览器会自动的搜索网站的根目录，只要它发现了favicon.ico这个文件，就把它下载下来作为网站地址栏图标。于是，C（amqp）还将发起“GET /favicon.ico HTTP/1.1”请求网站地址栏图标，见报文Packet29。
3．TCP四次挥手关闭连接
经Packet28确认收到了完整的japplication/javascript文件后，链路1（本地端口5673）使命结束，S关闭该链路，进入四次挥手关闭双向连接。
（Packet30）Packet31和Packet32为对Packet29的TCP响应（它们的Ack=1201）。经Packet33确认收到了完整的image/x-icon文件后，链路2（本地端口5672）使命结束，S关闭该链路，进入四次挥手关闭双向连接。
为什么握手是三次，而挥手是四次呢？这是因为握手时，服务器往往在答应建立连接时，也建立与客户端的连接，即所谓的双向连接。所以，在Packet2中，服务器将ACK和SYN打包发出。挥手，即关闭连接，往往只是表明挥手方不再发送数据（无数据可发），而接收通道依然有效（依然可以接受数据）。当对方也挥手时，则表明对方也无数据可发了，此时双向连接真正关闭。
参考：
《浏览器/网页工作原理》《What really happens when you navigate to a URL》
以上是关于TCP通信流程解析的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章