动手学习TCP：TCP连接建立与终止

TCP是一个面向连接的协议，任何一方在发送数据之前，都必须先在双方之间建立一条连接。所以，本文就主要看看TCP连接的建立和终止。

在开始介绍TCP连接之前，先来看看TCP数据包的首部，首部里面有很多重要的字段，在我们实现程序的时候需要进行设置。

TCP的首部

在OSI七层模型中，上层的数据包都会作为下层数据包的数据部分（payload）。

也就是说，当构造TCP数据包的时候，会把应用层的数据包作为TCP包的数据部分，然后加上TCP头构成TCP数据包；同样，当构造IP数据包的时候，整个TCP包就会被当作数据部分，然后加上IP头构成IP数据包。

TCP头的数据格式如下，在不包括可选字段的情况下，一般TCP头会占用20个字节。

在TCP首部中，有几个字段是需要关注一下：

• 在TCP首部中没有源和目标的IP、MAC地址（IP和MAC地址分别是网络层和链路层首部的信息），只有源和目标的端口
• Sequence Number是包的序号，网络层（IP层）的传输是不可靠的，可能产生包乱序，所以这个需要可以解决网络包乱序的问题
• Acknowledgement Number用来确认收到数据包的确认序号，为TCP的传输提供了可靠性保证
• TCP Flags包括了8个bit，通过对这些bit的设置，可以代表不同类型的TCP数据包

下面就看看TCP连接的建立和终止。

TCP连接建立

TCP连接建立的过程被称为三次握手过程：

1. 连接建立发起端发送[SYN]包，该端将主动打开（active open）
2. 接收端将发送[SYN, ACK]包，该端将被动打开（passive open），ACK标志表示对收到的[SYN]包的确认
3. 连接建立发起端发送[ACK]包确认[SYN, ACK]包

Initial Sequence Number

连接建立过程中，一个重要的工作就是初始化Sequence Number，通信的双方在建立连接的过程中互相通知对方自己的初始Sequence Number（ISN：Initial Sequence Number）。ISN不是固定的，ISN跟时钟绑定，根据特定的间隔自增，直到超过2^32，又从0开始。

SYN全称就是Synchronize Sequence Number，通过seq序号，TCP就可以保证数据包的顺序；通过ack序号，TCP就有了可靠性。

连接建立注意点

在建立TCP连接的过程中，有以下两点需要注意一下：

1. [SYN]标志的数据包会使用消耗一个序号，所以对端的确认号（ack）是当前序号（seq）加一
2. 当被动打开端发送[ACK]确认包的时候，同时设置了[SYN]标志，所以TCP连接建立的过程只需要三次握手，而不是四次

TCP连接终止

TCP连接终止的过程被称为四次挥手过程，以下图为例：

1. 连接终止端（client）发送[FIN, ACK] 包，关闭client到server方向的数据发送通路
2. server端发送[ACK]包来确认来自client的[FIN, ACK] 包
3. server端发送[FIN, ACK] 包，关闭server到client方向的数据发送通路
4. client端发送[ACK]包来确认来自server的[FIN, ACK] 包，到此TCP连接关闭

连接终止注意点

在建立TCP连接的过程中，有以下两点需要注意一下：

• [FIN]标志的数据包会使用消耗一个序号，所以对端的确认号（ack）是当前序号（seq）加一
• 与建立连接时的三次 握手不同，终止连接需要四次挥手
  • 因为TCP连接是全双工的，每个方向都必须单独进行关闭。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，但是TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据

TCP连接实验

好了，了解了TCP连接建立和终止的基本知识后，就可以通过Pcap.Net来进行TCP连接建立和终止的实验了。

建立连接代码的基本流程如下：

1. client程序使用一个初始的seq序号（100），然后生成并发送一个带[SYN]标志的TCP包
2. client将期待来自服务端的[SYN, ACK]包
3. 当收到[SYN, ACK]包之后，client需要生成并发送一个[ACK]包进行确认，这个[ACK]包的ack号是[SYN, ACK]包seq号加一

终止连接代码的基本流程如下：

1. client程序delay 10秒钟，然后发送[FIN, ACK]包关闭client到server的通路，继续使用全局的seq号
2. client将期待来自服务端的[ACK]包，以及[FIN, ACK]包
3. 最后client发送[ACK]包，seq号需要加一，因为[FIN]标志的包将消耗一个序号，TCP连接终止完成

主程序如下，发送TCP连接建立和终止请求，每个请求发送后都用PacketHandler处理收到的包：

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);

程序的主要逻辑在PacketHandler中，这个函数根据收到的不同TCP包的类型完成不同的逻辑，产生并发送不同类型的包。

例如，当PacketHandler接收到来自服务端的[SYN, ACK]包后，处理函数就会生成并发送一个[ACK]确认包。也就是说，PacketHandler的逻辑就是实现了TCP连接建立和终止的逻辑。

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函数中用到了BuildTcpResponsePacket这个函数，这个函数根据收到的TCP包，来构建response包。

这个函数有下面几个注意点：

• 该函数会根据收到的包，设置response包的源和目的地址
• 该函数会接受PacketHandler传递来的TCP flags，并设置到TCP首部中
• 该函数的另一个重要部分就是会计算并设置TCP首部中的seq好ack号，这一点很重要

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);
}

运行效果

打开Wireshark监听"VirtualBox Host-Only Network"网卡，并设置filter为"port 8081"。

然后运行程序，通过console可以看到客户端发送的包，以及服务端返回的包，通过这些包完成了TCP连接的建立和终止。

下面是Wireshark中显示的结果，Wireshark比较友好，会显示相对seq号，所以看到的都是从0开始编号。

注意seq号和ack号的变化，[SYN]和[FIN]标志的TCP包都会消耗一个序号。

总结

本文介绍了TCP首部，通过设置TCP首部中的[SYN]标志，可以构造TCP连接建立请求包；通过设置[FIN]标志，可以构造TCP连接终止请求包。

文中使用Pcap.Net构建了一个简单的客户端，完成了向服务器建立（三次握手）和终止（四次挥手）连接的过程。

通过这个实验，一定会对TCP连接的建立和终止有一个比较直观的认识。