1 概述
TCP（Transmission Control Protocol）傳輸控制協(xié)議是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層協(xié)議
TCP是面向連接的通信協(xié)議，通過三次握手建立連接，通訊完成時(shí)要拆除連接，由于TCP是面向連接的所以只能用于端到端的通訊。
TCP提供的是一種可靠的數(shù)據(jù)流服務(wù)，采用“帶重傳的肯定確認(rèn)”技術(shù)來實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)目煽啃?。TCP還采用一種稱為“滑動(dòng)窗口”的方式進(jìn)行流量控制，所謂窗口實(shí)際表示接收能力，用以限制發(fā)送方的發(fā)送速度。
如果IP數(shù)據(jù)包中有已經(jīng)封好的TCP數(shù)據(jù)包，那么IP將把它們向‘上’傳送到TCP層。TCP將包排序并進(jìn)行錯(cuò)誤檢查，同時(shí)實(shí)現(xiàn)虛電路間的連接。TCP數(shù)據(jù)包中包括序號(hào)和確認(rèn)，所以未按照順序收到的包可以被排序，而損壞的包可以被重傳。
本文將通過實(shí)驗(yàn)的方式介紹三次握手和數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程。
2 測(cè)試代碼
為了能夠抓包，這里選擇java在電腦上運(yùn)行。開發(fā)環(huán)境是eclipse。
2.1 服務(wù)端代碼
import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
public class TcpServer extends Thread {
public void run() {
System.out.println("TcpServer start");
ServerSocket server=null;
try{
//創(chuàng)建一個(gè)ServerSocket在端口55672監(jiān)聽客戶請(qǐng)求
server=new ServerSocket(55672);
}catch(Exception e) {
System.out.println("TcpServer can not listen to:"+ e);
e.printStackTrace();
}
Socket socket=null;
try{
//使用accept()阻塞等待客戶請(qǐng)求，有客戶
//請(qǐng)求到來則產(chǎn)生一個(gè)Socket對(duì)象，并繼續(xù)執(zhí)行
socket=server.accept();
String hostip = socket.getInetAddress().getHostAddress();
System.out.println("TcpServer host Ip . "+ hostip);
}catch(Exception e) {
System.out.println("TcpServer Error."+e);
}
String line;
try{
BufferedReader is=new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
PrintWriter os=new PrintWriter(socket.getOutputStream());
BufferedReader sin=new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
System.out.println("TcpServer Client is read 111: "+is.readLine());
line=sin.readLine();
while(!line.equals("bye")){
os.println(line);
os.flush();
System.out.println("TcpServer Server:"+line);
System.out.println("TcpServer Client is read 22 : "+is.readLine());
line=sin.readLine();
}
os.close(); //關(guān)閉Socket輸出流
is.close(); //關(guān)閉Socket輸入流
socket.close(); //關(guān)閉Socket
server.close(); //關(guān)閉ServerSocket
System.out.println("TcpServer end ");
} catch(Exception e) {
System.out.println("TcpServer Error:" + e);
}
System.out.println("TcpServer end");
}
}
2.2 客戶端代碼
import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
public class Client {
/**
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
sendMsg("Msg send by client");
}
private static String sendMsg(String msg) {
Socket socket = null;
PrintWriter os = null;
BufferedReader is = null;
String retMsg = null;
try {
//向本機(jī)的55672端口發(fā)出客戶請(qǐng)求
socket = new Socket("192.168.1.49", 55672);
//由系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備構(gòu)造BufferedReader對(duì)象
os = new PrintWriter(socket.getOutputStream());
//由Socket對(duì)象得到輸出流，并構(gòu)造PrintWriter對(duì)象
is = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
os.println(msg);
//將從系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)輸入讀入的字符串輸出到Server
os.flush();
retMsg = is.readLine();
System.out.println("Server retMsg:" + retMsg);
os.close(); //關(guān)閉Socket輸出流
is.close(); //關(guān)閉Socket輸入流
socket.close(); //關(guān)閉Socket
System.out.println("clinet sendMsg end ");
} catch (Exception e) {
System.out.println("MainClass new 1111 Exception end " + e);
e.printStackTrace();
}
return retMsg;
}
}
3 抓包分析
3.1抓包工具
抓包工具是使用的wireshark，安裝方式可以參考：
https://jingyan.baidu.com/article/bad08e1e87d68209c9512153.html
也可以針對(duì)于自己電腦型號(hào)系統(tǒng)安裝。
3.2 操作步驟
1、啟動(dòng)wireshark；
2、選擇一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口
3、設(shè)置過濾規(guī)則tcp.port == 55672（我的測(cè)試代碼端口設(shè)置的55672），點(diǎn)擊橫箭頭執(zhí)行
4、 運(yùn)行服務(wù)端代碼；
5、 運(yùn)行客戶端代碼；
6、 下圖就是客戶端TCP連接服務(wù)端，客戶端向服務(wù)端發(fā)送一條消息，服務(wù)端回復(fù)一條消息的截圖。
3.3 TCP三次握手
第一次握手：建立連接時(shí)，客戶端發(fā)送syn包（syn=j）到服務(wù)器，并進(jìn)入SYN_SENT狀態(tài)，等待服務(wù)器確認(rèn)；SYN：同步序列編號(hào)（Synchronize Sequence Numbers）。
第二次握手：服務(wù)器收到syn包，必須確認(rèn)客戶的SYN（ack=j+1），同時(shí)自己也發(fā)送一個(gè)SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此時(shí)服務(wù)器進(jìn)入SYN_RECV狀態(tài)；
第三次握手：客戶端收到服務(wù)器的SYN+ACK包，向服務(wù)器發(fā)送確認(rèn)包ACK(ack=k+1），此包發(fā)送完畢，客戶端和服務(wù)器進(jìn)入ESTABLISHED（TCP連接成功）狀態(tài)，完成三次握手
完成三次握手，客戶端和服務(wù)端開始傳送數(shù)據(jù)
3.4 TCP可靠性傳輸
TCP通過下列方式來提供可靠性：
1、應(yīng)用數(shù)據(jù)被分割成TCP認(rèn)為最適合發(fā)送的數(shù)據(jù)塊。這和UDP完全不同，應(yīng)用程序產(chǎn)生的數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度將保持不變。 (將數(shù)據(jù)截?cái)酁楹侠淼拈L(zhǎng)度)
2、當(dāng)TCP發(fā)出一個(gè)段后，它啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，等待目的端確認(rèn)收到這個(gè)報(bào)文段。如果不能及時(shí)收到一個(gè)確認(rèn)，將重發(fā)這個(gè)報(bào)文段。 (超時(shí)重發(fā))
3、當(dāng)TCP收到發(fā)自TCP連接另一端的數(shù)據(jù)，它將發(fā)送一個(gè)確認(rèn)。這個(gè)確認(rèn)不是立即發(fā)送，通常將推遲幾分之一秒 。 (對(duì)于收到的請(qǐng)求，給出確認(rèn)響應(yīng)) (之所以推遲，可能是要對(duì)包做完整校驗(yàn))
4、 TCP將保持它首部和數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)和。這是一個(gè)端到端的檢驗(yàn)和，目的是檢測(cè)數(shù)據(jù)在傳輸過程中的任何變化。如果收到段的檢驗(yàn)和有差錯(cuò)，TCP將丟棄這個(gè)報(bào)文段和不確認(rèn)收到此報(bào)文段。 (校驗(yàn)出包有錯(cuò)，丟棄報(bào)文段，不給出響應(yīng)，TCP發(fā)送數(shù)據(jù)端，超時(shí)時(shí)會(huì)重發(fā)數(shù)據(jù))
5、既然TCP報(bào)文段作為IP數(shù)據(jù)報(bào)來傳輸，而IP數(shù)據(jù)報(bào)的到達(dá)可能會(huì)失序，因此TCP報(bào)文段的到達(dá)也可能會(huì)失序。如果必要，TCP將對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排序，將收到的數(shù)據(jù)以正確的順序交給應(yīng)用層。 (對(duì)失序數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排序，然后才交給應(yīng)用層)
6、既然IP數(shù)據(jù)報(bào)會(huì)發(fā)生重復(fù)，TCP的接收端必須丟棄重復(fù)的數(shù)據(jù)。(對(duì)于重復(fù)數(shù)據(jù)，能夠丟棄重復(fù)數(shù)據(jù))
7、TCP還能提供流量控制。TCP連接的每一方都有固定大小的緩沖空間。TCP的接收端只允許另一端發(fā)送接收端緩沖區(qū)所能接納的數(shù)據(jù)。這將防止較快主機(jī)致使較慢主機(jī)的緩沖區(qū)溢出。(TCP可以進(jìn)行流量控制，防止較快主機(jī)致使較慢主機(jī)的緩沖區(qū)溢出)TCP使用的流量控制協(xié)議是可變大小的滑動(dòng)窗口協(xié)議。
3.5 TCP四次揮手結(jié)束連接釋放
1、客戶端A發(fā)送一個(gè)FIN，用來關(guān)閉客戶A到服務(wù)器B的數(shù)據(jù)傳送
2、服務(wù)器B收到這個(gè)FIN，它發(fā)回一個(gè)ACK，確認(rèn)序號(hào)為收到的序號(hào)加1。和SYN一樣，一個(gè)FIN將占用一個(gè)序號(hào)。
3、服務(wù)器B關(guān)閉與客戶端A的連接，發(fā)送一個(gè)FIN給客戶端A
4、客戶端A發(fā)回ACK報(bào)文確認(rèn)，并將確認(rèn)序號(hào)設(shè)置為收到序號(hào)加1
4 報(bào)文分析
4.1 數(shù)據(jù)報(bào)層次分解
應(yīng)用層由用戶進(jìn)程提供（后面將介紹如何使用socket API編寫應(yīng)用程序），應(yīng)用程序?qū)νㄓ崝?shù)據(jù)的含義進(jìn)行解釋，而傳輸層及其以下處理通訊的細(xì)節(jié)，將數(shù)據(jù)從一臺(tái)計(jì)算機(jī)通過一定的路徑發(fā)送到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)。應(yīng)用層數(shù)據(jù)通過協(xié)議棧發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上時(shí)，每層協(xié)議都要加上一個(gè)數(shù)據(jù)首部（header），稱為封裝（Encapsulation）。封裝過程如圖4-1
這里選取第4段報(bào)文（客戶端向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)）為例分析：
其中綠色部分是以太網(wǎng)首部，紅色部分是IP首部，紫色部分是TCP報(bào)頭，剩下部分是數(shù)據(jù)“hello I am from APP”。其中紅綠色部分文本不做詳解。
4.2 TCP報(bào)文解析
圖4-3是TCP數(shù)據(jù)報(bào)的格式：
圖4-4是wireshark的TCP字段解析
源端口號(hào)（2字節(jié)）：
94 71（38001）
目的端口號(hào)（2字節(jié)）：
d9 78（55672）
TCP報(bào)頭中的源端口號(hào)和目的端口號(hào)同IP數(shù)據(jù)報(bào)中的源IP與目的IP唯一確定一條TCP連接
序號(hào)（4字節(jié)）：
d8 13 c2 18
用來標(biāo)識(shí)TCP發(fā)端向TCP收端發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)流
確認(rèn)序號(hào)（4字節(jié)）：
83 53 61 6b
首部長(zhǎng)度（4位）：報(bào)文頭長(zhǎng)度（單位：位）/32
0101（轉(zhuǎn)化為10進(jìn)制為5，532/8 =20，該報(bào)文報(bào)頭長(zhǎng)度為20個(gè)字節(jié)）
存在該字段是因?yàn)門CP報(bào)頭中任選字段長(zhǎng)度可變
報(bào)頭不包含任何任選字段則長(zhǎng)度為20字節(jié)；4位所能表示的最大值為1111，轉(zhuǎn)化為10進(jìn)制為15，1532/8 = 60，故報(bào)頭最大長(zhǎng)度為60字節(jié)
標(biāo)志位（12位）：
0x018 轉(zhuǎn)化成2進(jìn)制 0000 0001 1000
Reserved：
0000 00~~ ~~~~
Control Bits：
~~~~ ~~0~ ~~~~ = U / Urgent：緊急指針有效性標(biāo)志
~~~~ ~~~1 ~~~~ = A / Acknowledgment：確認(rèn)序號(hào)有效性標(biāo)志，一旦一個(gè)連接建立起來，該標(biāo)志總被置為1，即除了請(qǐng)求建立連接報(bào)文（僅設(shè)置Syn標(biāo)志位為1），其它所有報(bào)文的該標(biāo)志總為1
~~~~ ~~~~ 1~~~ = P / Push：Push標(biāo)志（接收方應(yīng)盡快將報(bào)文段提交至應(yīng)用層）
~~~~ ~~~~ ~0~~ = R / Reset：重置連接標(biāo)志
~~~~ ~~~~ ~~0~ = S / Syn：同步序號(hào)標(biāo)志
~~~~ ~~~~ ~~~0 = F / Fin：傳輸數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志
窗口大小（2字節(jié)）：TCP流量控制通過連接的每一端聲明窗口大小進(jìn)行控制（接收緩沖區(qū)大?。?br>
01 57= 343
由于2字節(jié)能夠表示的最大正整數(shù)為65535，故窗口最大值為65535
檢驗(yàn)和（2字節(jié)）：檢驗(yàn)和覆蓋整個(gè)TCP報(bào)文段；強(qiáng)制字段，由發(fā)送端計(jì)算存儲(chǔ)，由接收端進(jìn)行驗(yàn)證
d5 fc
緊急指針（2字節(jié)）：當(dāng)Urgent標(biāo)志置1時(shí)，緊急指針才有效
00 00
5 引用
TCP三次握手百度百科
https://baike.baidu.com/item/%E4%B8%89%E6%AC%A1%E6%8F%A1%E6%89%8B/5111559
TCP的三次握手與四次揮手（詳解+動(dòng)圖）
https://blog.csdn.net/qzcsu/article/details/72861891
TCP/IP協(xié)議
https://baike.baidu.com/item/TCP%2FIP%E5%8D%8F%E8%AE%AE
http://www.networksorcery.com/enp/protocol/tcp.htm
