内容简介:下图为OSI TCP/IP Family
女主宣言
笔者最近看了关于 Python 的部分内容,发现网络编程部分非常容易能够创建一个本地TCP服务器,正好可以用来分析一下TCP的请求和响应过程。
在本篇文章,笔者将给大家介绍下TCP建立连接(三次握手),传输数据,断开连接(四次挥手)的过程。
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TCP简介
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TCP: TCP(Transmission Control Protocol 传输控制协议)是一种面向 连接的、可靠的、基于字节流 的 传输层通信协议 ,由IETF的 RFC 793 定义。
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聊到网络协议,我们常常会想到 OSI (Open System Interconnection 开放式系统互联)七层模型、TCP/IP协议簇,她位于OSI、TCP/IP协议簇哪一层等问题。
如下图OSI七层模型及对应的 TCP/IP协议簇
所示,TCP位于OSI中的第四层(传输层)。位于TCP/IP协议簇中的第四层(TCP or UDP)。
下图为 OSI七层模型及对应的TCP/IP协议簇
OSI TCP/IP Family
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TCP是 面向连接 的,是指客户端在发送、接收数据之前需要先建立连接,这个连接过程需要 三次握手 来完成,笔者借助Python搭建了一个本地的TCP服务,并使用 Wireshark (Wireshark(前称Ethereal)是一个网络封包分析软件。网络封包分析软件的功能是撷取网络封包,并尽可能显示出最为详细的网络封包资料。)
捕获了本地的TCP服务器和TCP客户端之间请求响应的过程,带大家一起看一下建立连接(三次握手),传输数据,断开连接(四次挥手)的过程。
本地搭建TCP服务准备工作:
笔者在前文提到了要用Python创建一个本地TCP服务器,并且分析TCP的请求响应过程。这里笔者使用的是PythonIDE、Mac自带的终端简单创建了一个本地TCP服务端和客户端。
笔者会分析的过程如下:
-> 创建并且启动一个端口号为20000的TCP服务端
-> 创建客户端并和服务端建立连接(三次握手)
-> 客户端向服务端发送数据'AB'
-> 服务端到数据后给客户端发送数据'AB'
-> 服务端收到数据向客户端发送收到的数据(当前即'AB')
-> 客户端和服务端断开连接(四次挥手)
-> 使用Wireshark对建立连接(三次握手),传输数据,断开连接(四次挥手)的过程进行分析
服务端代码:
客户端代码:
上述代码的效果如下图所示:
TCP请求响应效果图
TCP建立连接效果图
如上图,Got connection from ('127.0.0.1', 62515)我们可以确定客户端使用的端口是 59006 。
通过上述准备工作,下边笔者会使用Wireshark捕获TCP请求响应的整个过程,并进行相应分析。
TCP三次握手
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TCP通过三次握手建立连接,我们对下图应该比较熟悉:
TCP三次握手图解
对上图中的代号及下文中的代号做说明:
Seq 即下文中的 Sequence number ,序列号是指发送数据的位置。每发送一次数据,就累加一次该数据字节数的大小。一般用Wireshark捕获我们平时的请求的Seq是一个随机数。
Ack 即 Acknowledgement number ,是指下一次应该受到的数据的序列号。
SYN 为Flags部分的 Syn ,Syn为1表示希望建立连接。
ACK 为Flags部分的 ACK ,Ack为1表示确认应答的字段变为有效。
TCP第一次握手,客户端向服务端发送报文,关键信息为Syn=1,Seq=0。如下图所示,sequence number= x = 0,Syn=1。
TCP第一次握手
TCP第二次握手,服务端向客户端发送报文,关键信息为Ack=x+1=1,Syn=1,Seq=y=0。如下图所示,sequence number=y=0,Ack=x+1=1 , Syn = 1。
TCP第二次握手
TCP第三次握手,客户端向服务端发送报文,Seq=x+1=1,Ack=y+1=1,ACK=1。如下图所示,Seq=x+1=1,Ack=y+1=1,ACK=1。
TCP第三次握手
我们可以发现在三次握手之后,还有一次TCP Window Update。
TCP Window Update
TCP Window Update 是TCP通信中的一个状态,它可以发生的原因有很多,但最终归结于发送者传输数据的速度比接收者读取的数据还快,这使得接受端的在缓冲区必须释放一部分空间来装发送过来的数据,然后向发送者发送Windows Update,告诉给 发送者 应该以多大的速度发送数据,从而使得数据传输与接受恢复正常。参考:tcp三次握手
从上图TCP Window Update,根据Source Port:20000及Destination Port:59006可知,当前发送者是客户端,解释下上一段文字的意思是,客户端发送的数据太快,服务端读书数据慢,服务端向客户端发送了一个TCP Window Update的报文。
上述内容就是TCP建立连接的过程,下边笔者给大家介绍下传输数据部分的内容:
TCP的数据传输过程:
查看数据传输过程和之前建立连接部分,用的是下图代码进行的分析:
代码内容和之前建立连接的代码一样,只是添加了 发送数据 和 断开连接 的几行代码。可见这次客户端分配的端口号为 53262 。
在分析数据传输过程之前,笔者先对下边会用到的名词及 工具 做个简单说明:
字节 即 byte ,比特即 bit ,1个字节(byte)=8个比特(bit)。
ASCII码:是基于 拉丁字母 的一套电脑编码系统,主要用于显示现代 英语 和其他 西欧 语言。它是现今最通用的单 字节 编码系统
ASCII码对照表
举个例子'A'的ASCII码为0x41
基本的16进制、2进制、10进制之间的转换:
16进制0x41对应2进制为 0100 0001对应10进制为4 * 16 + 1 = 65
在线进制转换
下边笔者带大家看一下数据传输部分的分析:
下图表示客户端s.send(b'A')以二进制形式传输'A'(其对应的ASCII码为65)传输过程:
客户端到服务端
下边展示一个客户端s.send(b'AB')并且服务端给予相应的回应(服务端也给客户端发送收到的'')的过程
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接收数据的部分Flags中的Acknowledgement 设置为1,表示确认应答的字段有效
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接收数据的部分Flags中的Push 设置为1表示表示接收方应该尽快把数据传给上层应用协议
从 源端口53262 , 目的端口20000 可以看出,下图表示 客户端向服务端发送消息 ,发送的数据为'AB','AB'的ASCII码为0x4142。
客户端向服务端发送消息
从 源端口20000 , 目的端口53262 可以看出下图表示 服务端向客户端 反馈收到了消息。
Acknowledgement number 为4是因为,服务端接接收了客户端的2个字节的数据,在之前的客户端的Sequence number的基础上加了2。
服务端到客户端收到消息响应
从 源端口20000 , 目的端口53262 可以看出,下图表示 服务端向客户端 发送消息,发送的数据为'AB','AB'的ASCII码为0x4142。
服务端给客户端发送消息
从 源端口53262 , 目的端口20000 可以看出下图表示 客户端向服务端 反馈收到了消息。Acknowledgement number 为4是因为,客户端接收了服务端的2个字节的数据,在之前的服务端的Sequence number的基础上加了2。
客户端收到服务端消息后的响应
TCP断开连接四次挥手
TCP断开连接示意图如下:
TCP断开连接示意图
对应的Python的客户端代码s.shutdown(2),客户端主动断开连接的。
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断开连接的Flags中Fin是设置为1的,表示希望断开连接。
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断开连接的Flags中Ack是设置为1的,表示确认应答字段有效。
响应的Wireshark抓包分析如下:
TCP断开连接第一次挥手,从 源端口53262到目的端口20000 ,可以看出是客户端主动断开连接的。Flags中的Fin是设置为1的,Sequence number为7。
TCP断开连接第一次挥手
TCP断开连接第二次挥手,从 源端口20000到目的端口53262 ,可以看出是服务端给予客户端断开连接的响应。并且Acknowledge number对之前的客户端的Sequence number做了加1操作。
TCP断开连接第二次挥手
TCP断开连接第三次挥手,从 源端口20000到目的端口53262 ,Flags中的Fin是设置为1的,可以看出是 服务端向客户端发送断开连接 的。Sequence number为7。
TCP断开连接第三次挥手
TCP断开连接第四次挥手,从 源端口53262到目的端口20000 ,可以看出是 客户端给予服务端断开连接的响应 。并且Acknowledge number对之前的服务端的Sequence number做了加1操作。
TCP断开连接第四次挥手
下边,笔者贴出了IP和TCP首部及Wireshark捕获TCP请求过程的的图。有兴趣的读者可自行做简单分析。
TCP数据在IP数据报中的封装及TCP包首部
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后来和昆哥一起交流,经过昆哥指正,上图的TCP首部已经更新过了,较新的TCP首部格式如下:
TCP首部
下图为TCP首部中的控制位部分
控制位 Control Flag
TCP
TCP
参考内容:
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Wireshark数据包实战讲解
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TCP/IP详解
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图解TCP/IP
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https://www.ibm.com/support/knowledgecenter/en/SSLTBW_2.3.0/com.ibm.zos.v2r3.halc001/ipcicint_protocol.htm
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https://www.iana.org/assignments/address-family-numbers/address-family-numbers.xhtml
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https://python3-cookbook.readthedocs.io/zh_CN/latest/c11/p02_creating_tcp_server.html#id1
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以上所述就是小编给大家介绍的《网络通信协议之 TCP》,希望对大家有所帮助,如果大家有任何疑问请给我留言,小编会及时回复大家的。在此也非常感谢大家对 码农网 的支持!
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