TCP通信流程解析

2012-08-06 22:30 ⁄ 工业·编程 ⁄ 共 8983字 ⁄ 字号小中大 ⁄ 评论 1 条

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 ）。

在浏览器地址栏敲入 “http://www.baidu.com/ ” ，按下回车键，浏览器中呈现出百度首页。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 TCP/IP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 连接时双方协商 MSS 值，双方提供的 MSS 值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 536 。

“ 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。可点击图片超链接下载pcap文件，使用wireshark软件查看。

为方便起见，以下将客户端（浏览器）简称为 C ，将服务器（百度）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 Initial Sequence Number （ ISN ），后期某一时刻的 Seq=ISN+ 累计发送量 (cumulative sent) ； Ack=1 为 C 的 Initial Acknowledge Number （ IAN ），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（ 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 MTU{local,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。

{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 5 673 ）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 》

《 HTTP通信过程分析》

《究竟什么是 HTTP连接》

《一次完整的 HTTP通信步骤》

《 SOCKET与 TCP/IP与 HTTP的关系》

《 TCP连接、 Http连接与 Socket连接》