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TCP通信流程解析

發布時間：2024/4/11 编程问答 22 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 TCP通信流程解析小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

B/S通信簡述

整個計算機網絡的實現體現為協議的實現，TCP/IP協議是Internet的核心協議，HTTP協議是比TCP更高層次的應用層協議。

HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本傳輸協議）是互聯網上應用最為廣泛的一種網絡協議。所有的WWW文件都必須遵守這個標準。設計HTTP的初衷是為了提供一種發布和接收HTML頁面的方法。

瀏覽器（Web Browser）負責與服務器建立連接，下載網頁（包括資源文件及JS腳本文件）到本地，并最終渲染出頁面。JS腳本文件運行在客戶端，負責客戶端一些行為響應或預處理，例如提交表單前的數據校驗、鼠標事件處理等交互。由此可見，瀏覽器（Browser）一方面充當了C/S通信架構中C角色，另一方面它是HTML/JavaScript的解析渲染引擎（Analyze Render Engine）。

當在瀏覽器地址欄敲入“http://www.baidu.com/”并按下回車鍵時，瀏覽器中將呈現出百度搜索引擎首頁。這樣一種情景我們再熟悉不過，本文通過wireshark抓取這一過程的數據包，結合TCP協議分析HTTP通信的基本流程。

MTU和MSS

本文用到的抓包工具為wireshark，它的前身是赫赫有名的Ethereal。wireshark以太網幀的封包格式為：

----------------------------------------------------------------------------------------------------

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），以太網幀頭以下稱之為數據幀。

（2）IP Header?=20?Byte（without options field），數據在IP層稱為Datagram，分片稱為Fragment。

（3）TCP Header?=?20?Byte（without options field），數據在TCP層稱為Stream，分段稱為Segment（UDP中稱為Message）。

（4）54個字節后為TCP數據負載部分（Data Portion），即應用層用戶數據。

Ethernet Header以下的IP數據報最大傳輸單位為MTU（Maximum Transmission Unit，Effect of short board），對于大多數使用以太網的局域網來說，MTU=1500。

TCP數據包每次能夠傳輸的最大數據分段為MSS，為了達到最佳的傳輸效能，在建立TCP連接時雙方將協商MSS值——雙方提供的MSS值中的最小值為這次連接的最大MSS值。MSS往往基于MTU計算出來，通常MSS=MTU-sizeof(IP Header)-sizeof(TCP Header)=1500-20-20=1460。

這樣，數據經過本地TCP層分段后，交給本地IP層，在本地IP層就不需要分片了。但是在下一跳路由（Next Hop）的鄰居路由器上可能發生IP分片！因為路由器的網卡的MTU可能小于需要轉發的IP數據報的大小。這時候，在路由器上可能發生兩種情況：

（1）如果源發送端設置了這個IP數據包可以分片（May Fragment，DF=0），路由器將IP數據報分片后轉發。

（2）如果源發送端設置了這個IP數據報不可以分片（Don’t Fragment，DF=1），路由器將IP數據報丟棄，并發送ICMP分片錯誤消息給源發送端。

關于MTU的探測，參考《Path MTU discovery》。我們可以通過基于ICMP協議的ping命令來探測從本機出發到目標機器上路由上的MTU，詳見下文。

TCP和UDP

在基于傳輸層（TCP/UDP）的應用開發中，為了最后的程序優化，應避免端到端的任何一個節點上出現IP分片。TCP的MSS協商機制加上序列號確認機制，基本上能夠保證數據的可靠傳輸。

UDP協議在IP協議的基礎上，只增加了傳輸層的端口（Source Port+Destination Port）、UDP數據包長（Length = Header+Data）以及檢驗和（Checksum）。因此，基于UDP開發應用程序時，數據包需要結合IP分片情況考慮。對于以太局域網，往往取UDP數據包長Length<=MTU-sizeof(IP Header)=1480，故UDP數據負載量小于或等于1472（Length-UDP Header）；對于公網，ipv4最小MTU為576，UDP數據負載量小于或等于548。

“向外”NAT在內網和公網之間提供了一個“不對稱”橋的映射。“向外”NAT在默認情況下只允許向外的session穿越NAT：從外向內的的數據包都會被丟棄掉，除非NAT設備事先已經定義了這些從外向內的數據包是已存在的內網session的一部分。對于一方在LAN，一方在WAN的UDP通信，鑒于UDP通信不事先建立虛擬鏈路，NAT后面的LAN通信方需先發送消息給WAN通信方以洞穿NAT，然后才可以進行雙向通信，這即是常提到的“UDP打洞（Hole Punching）”問題。

TCP連接百度過程解析

1．wireshark抓包

下文對百度的完整抓包建立在不使用緩存的基礎上。如若主機存有百度站點的cookie和脫機緩存（Offline Cache），則不會再請求地址欄圖標favicon.ico；請求/js/bdsug.js?v=1.0.3.0可能回應“HTTP/1.1 304 Not Modified”。可在瀏覽器打開百度首頁后，Ctrl+F5強制刷新，不使用緩存，也可參考《瀏覽器清除緩存方法》。

以下為訪問百度過程，wireshark抓包數據。對于直接通過Ethernet聯網的機器，Wireshark Capture Filter為"host?www.baidu.com"；對于通過PPP over Ethernet（PPPoE）聯網的機器，Wireshark Capture Filter為"pppoes?and host?www.baidu.com"。以下抓包示例直接通過Ethernet聯網訪問百度的過程。可點擊下面的圖片超鏈接下載pcap文件，使用wireshark軟件打開查看。

為方便起見，以下將客戶端（瀏覽器）簡稱為C，將服務器（百度后臺）簡稱為S。

2．TCP三次握手建立連接

“http://”標識WWW訪問協議為HTTP，根據規則，只有底層協議建立連接之后才能進行更高層協議的連接。在瀏覽器地址欄輸入地址后按下回車鍵的瞬間，C建立與S（機器名為www.baidu.com，DNS解析出來的IP為220.181.6.175）的TCP 80連接（HTTP默認使用TCP 80端口）。

以下為三次握手建立TCP連接的數據包（Packet1-Packet3）。

? /****************************************************************************************************

1??192.168.89.125:5672→220.181.6.175:80???TCP(協議) 62(以太網幀長)

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連接的流程如下：

????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

2.1 三次握手的socket層執行邏輯

S調用socket的listen函數進入監聽狀態；C調用connect函數連接S：[SYN]，S調用accept函數接受C的連接并發起與C方向上的連接：[SYN,ACK]。C發送[ACK]完成三次握手，connect函數返回；S收到C發送的[ACK]后，accept函數返回。

2.2 關于Seq和Ack

Seq即Sequence Number，為源端（source）的發送序列號；Ack即Acknowledgment Number，為目的端（destination）的接收確認序列號。在Wireshark Display Filter中，可使用tcp.seq或tcp.ack過濾。

在Packet1中，C:5672向S:80發送SYN握手包，Seq=0(relative?sequence number)；在Packet2中，S:80向C:5672發送ACK握手回應包，Ack=1(relative?sequence number)，同時發送SYN握手包，Seq=0(relative?sequence number)；在Packet3中，C:5672向S:80發送ACK握手回應包，Seq=1，Ack=1。

至此，Seq=1為C的ISN（Initial Sequence Number），后期某一時刻的Seq=ISN+累計發送量(cumulative sent)；Ack=1為C的IAN（Initial Acknowledge Number），后期某一時刻的Ack=IAN+累計接收量(cumulative received)。對于S而言，Seq和Ack情同此理。

參考：《TCP Analyze Sequence Numbers》、《Understanding TCP Sequence and Acknowledgement Numbers》

3．TCP獲取網站數據流程

連接建立后，下一步發送（“GET / HTTP/1.1”）請求（Request）HTML頁面，這里“/”表示S的默認首頁，“GET”為HTTP Request Method；“/”為Request-URI，這里為相對地址；HTTP/1.1表示使用的HTTP協議版本號為1.1。

以下為HTTP GET請求數據包（Packet4）。

/****************************************************************************************************

4??192.168.89.125:5672→220.181.6.175:80 HTTP 417

GET / HTTP/1.1

****************************************************************************************************/

HTTP GET報文長=417-54=363個字節，其中Next sequence number: 364(relative sequence number)表示，若在規定的時間內收到S響應Ack=364，表明該報文發送成功，可以發送下一個報文（Seq=364）；否則重傳（TCP Retransmitssion）。序列號確認機制是TCP可靠性傳輸的保障。

S（http）收到HTTP GET報文（共363個字節），向C（amqp）發送TCP確認報文（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

****************************************************************************************************/

這里Seq=1,為S的ISN，意為已發送過SYN。Packet2中，Ack=1為S的IAN。這里的Ack-IAN=364-1=363表示S已經從C接收到363個字節，即HTTP GET報文。同時，Ack=364也是S期待C發送的下一個TCP報文序列號（上面分析的Next sequence number）。

接下來，S向C發送Http Response，根據HTTP協議，先發響應頭（Response Header），再發百度首頁HTML文件。

Http Response Header報文（Packet6）如下。

/****************************************************************************************************

6??220.181.6.175:80→?192.168.89.125:5672?TCP 465

[TCP segment of a reassembled PDU]

****************************************************************************************************/

其部分內容如下：

======================================

HTTP/1.1 200 OK

……

Content-Length: 2139

Content-Type: text/html;charset=gb2312

Content-Encoding: gzip

======================================

S響應C的“GET / HTTP/1.1”請求，先發送帶[PSH]標識的411個字節的Http Response Header（Packet 6）。

TCP頭部[PSH]標識置位，敦促C將緩存的數據推送給應用程序，即先處理Http Response Header，實際上是一種“截流”通知。相應C的socket調用send時在IPPROTO_TCP選項級別設置TCP_NODELAY為TRUE禁用Nagle算法可以“保留發送邊界”，以防粘連。

盡管握手協商的MSS為1460，但服務器或者代理平衡服務器，每次發送過來的TCP數據最多只有1420個字節。可以使用ping -f -l size target_name命令向指定目標target_name發送指定字節量的ICMP報文，其中-l size指定發送緩沖區的大小；-f則表示在IP數據報中設置不分片DF（Don’t Fragment），這樣便可探測出到目標路徑上的MTU。

執行“ping -f -l 1452?www.baidu.com”的結果如下：

220.181.6.18的?Ping統計信息:

???數據包:已發送?= 4，已接收?= 4，丟失?= 0 (0%丟失)

執行“ping -f -l 1453?www.baidu.com”的結果如下：

需要拆分數據包但是設置?DF。

220.181.6.18的?Ping統計信息:

???數據包:已發送?= 4，已接收?= 0，丟失?= 4 (100%丟失)

從以上ping結果可知，在不分片時，從本機出發到百度的路由上能通過的最大數據量為1452，由此推算出MTU{local,baidu}=sizeof(IP Header)+ sizeof(ICMP Header)+sizeof(ICMP Data Portion)=20+8+1452=1480。

S調用socket的send函數發送2139個字節的Http Response Content（Packet 7、Packet 9），在TCP層將分解為兩段（segment）后再發出去。

/****************************************************************************************************

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文件還有2139-(1474-54)=719個字節。但此時，C已經發送了確認報文（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已經發出了363個字節，上邊已經收到了S的確認。Ack-IAN=1832-1=(465-54)+(1474-54)，表示C至此已經接收到S發來的1831個字節。

接下來，C收到HTML文件剩余的719個字節，報文（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發送過來的全部HTTP響應報文，即百度首頁HTML內容(text/html)。

Packet6、Packet7和Packet9的ACK都是364，這是因為這三個segment都是針對Packet4的TCP響應。S將百度首頁HTML文件（一個完整的HTTP報文）按照MSS分段提交給TCP層。在Wireshark中可以看到Packet9的報文中有以下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）接收到百度首頁的HTML文件后，開始解析渲染。在解析過程中，發現頁面中含有百度的logo資源baidu_logo.gif，并且需要bdsug.js腳本。

{d.write('<script src=http://www.baidu.com/js/bdsug.js?v=1.0.3.0><//script>')}

于是上面那個連接（C:5672）繼續向S請求logo圖標資源，報文（Packet10）如下。

/****************************************************************************************************

10?192.168.89.125:5672→??220.181.6.175:80?HTTP 492

GET /img/baidu_logo.gif HTTP/1.1

****************************************************************************************************/

與此同時，C（jms）新建一個連接（TCP 5673）向S請求js腳本文件。報文（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為對Packet10的TCP響應（它們的Ack=802），在邏輯上它們是一個完整的TCP報文。其Http Response Content為圖片文件baidu_logo.gif。我們在Wireshark中可以看到Packet17的報文中有以下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完成新連接的三次握手。然后，C（jms）發送“GET /js/bdsug.js?v=1.0.3.0 HTTP/1.1”報文（Packet21），以獲取bdsug.js腳本文件。

/****************************************************************************************************

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為對Packet21的TCP響應（它們的Ack=412），在邏輯上它們是一個完整的TCP報文。其Http Response Content為腳本文件bdsug.js。我們在Wireshark中可以看到Packet27的報文中有以下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，瀏覽器會自動的搜索網站的根目錄，只要它發現了favicon.ico這個文件，就把它下載下來作為網站地址欄圖標。于是，C（amqp）還將發起“GET /favicon.ico HTTP/1.1”請求網站地址欄圖標，見報文Packet29。

4．TCP四次揮手關閉連接

經Packet28確認收到了完整的japplication/javascript文件后，鏈路1（本地端口5673）使命結束，S關閉該鏈路，進入四次揮手關閉雙向連接。

（Packet30）Packet31和Packet32為對Packet29的TCP響應（它們的Ack=1201）。經Packet33確認收到了完整的image/x-icon文件后，鏈路2（本地端口5672）使命結束，S關閉該鏈路，進入四次揮手關閉雙向連接。

???為什么握手是三次，而揮手是四次呢？這是因為握手時，服務器往往在答應建立連接時，也建立與客戶端的連接，即所謂的雙向連接。所以，在Packet2中，服務器將ACK和SYN打包發出。揮手，即關閉連接，往往只是表明揮手方不再發送數據（無數據可發），而接收通道依然有效（依然可以接受數據）。當對方也揮手時，則表明對方也無數據可發了，此時雙向連接真正關閉。

參考：

《瀏覽器/網頁工作原理》《What really happens when you navigate to a URL》

《HTTP通信過程分析》

《究竟什么是HTTP連接》

《一次完整的HTTP通信步驟》

《SOCKET與TCP/IP與HTTP的關系》

《TCP連接、Http連接與Socket連接》

《TCP傳輸協議抓包經驗》

總結

以上是生活随笔為你收集整理的TCP通信流程解析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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