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动手学习TCP:数据传输

作者:田小计划  发布日期:2015-10-12 21:03:21
Tag标签:数据传输  
  • 前面的文章介绍了TCP状态变迁,以及TCP状态变迁图中的一些特殊状态。

    本文主要看看TCP数据传输过程中需要了解的一些重要点:

    MSS(Maximum Segment Size) Seq号和Ack号的计算 TCP半连接

    TCP数据传输实验

    在开始介绍上面列出的内容之前,先看看实验程序的运行。

    本文的例子代码是基于'动手学习TCP:客户端状态变迁'文章中的例子。

    首先,修改了'BuildTcpPacket'这个函数,增加了两个功能:

    正常情况下TCP首部是20个字节,但是TCP首部支持一些特殊'Options'(MSS就是其中一个);所以,第一个改动就是支持创建带特殊选项的TCP包 第二个改动是可以通过参数设置为TCP包增加Payload,这样就可以通过TCP包传输数据了。
    public static Packet BuildTcpPacket(EndPointInfo endPointInfo, TcpControlBits tcpControlBits, List<TcpOption> tcpOptionList = null, bool withPayload = false, string payloadData = '')
    {
        EthernetLayer ethernetLayer =
            new EthernetLayer
            {
                Source = new MacAddress(endPointInfo.SourceMac),
                Destination = new MacAddress(endPointInfo.DestinationMac),
                EtherType = EthernetType.None, // Will be filled automatically.
            };
    
        IpV4Layer ipV4Layer =
            new IpV4Layer
            {
                Source = new IpV4Address(endPointInfo.SourceIp),
                CurrentDestination = new IpV4Address(endPointInfo.DestinationIp),
                Fragmentation = IpV4Fragmentation.None,
                HeaderChecksum = null, // Will be filled automatically.
                Identification = 123,
                Options = IpV4Options.None,
                Protocol = null, // Will be filled automatically.
                Ttl = 10,
                TypeOfService = 0,
            };
    
        TcpLayer tcpLayer =
            new TcpLayer
            {
                SourcePort = endPointInfo.SourcePort,
                DestinationPort = endPointInfo.DestinationPort,
                Checksum = null, // Will be filled automatically.
                SequenceNumber = seqNum,
                AcknowledgmentNumber = ackNum,
                ControlBits = tcpControlBits,
                Window = windowSize,
                UrgentPointer = 0,
                Options = (tcpOptionList == null) ? TcpOptions.None : new TcpOptions(tcpOptionList),
            };
    
        PacketBuilder builder;
    
        if (withPayload)
        {
            PayloadLayer payloadLayer = new PayloadLayer
            {
                Data = new Datagram(System.Text.Encoding.ASCII.GetBytes(payloadData)),
            };
    
            builder = new PacketBuilder(ethernetLayer, ipV4Layer, tcpLayer, payloadLayer);
    
            return builder.Build(DateTime.Now);
        }
    
        builder = new PacketBuilder(ethernetLayer, ipV4Layer, tcpLayer);
    
        return builder.Build(DateTime.Now);
    }

    代码其余的改动发生在'PacketHandler'函数中:

    private static void PacketHandler(PacketCommunicator communicator, EndPointInfo endPointInfo, bool clientToSendFin = true)

    增加了对于'ESTABLISHED'状态下收到数据包的处理,主要作用就是发送一个[ACK]包对收到的数据包进行确认。

    case TcpControlBits.Acknowledgment:
        if (tcpStatus == TCPStatus.FIN_WAIT_1)
        {
            tcpStatus = TCPStatus.FIN_WAIT_2;
            Utils.PacketInfoPrinter(packet, tcpStatus);
        }
        else if (tcpStatus == TCPStatus.LAST_ACK)
        {
            tcpStatus = TCPStatus.CLOSED;
            Utils.PacketInfoPrinter(packet, tcpStatus);
    
            running = false;
        }
        else if (tcpStatus == TCPStatus.ESTABLISHED)
        {
            //print the data received from server
            Console.WriteLine(packet.Ethernet.IpV4.Tcp.Payload.ToString());
            communicator.SendPacket(Utils.BuildTcpResponsePacket(packet, TcpControlBits.Acknowledgment));
    
        }
        break;
    case (TcpControlBits.Acknowledgment | TcpControlBits.Push):
        if (tcpStatus == TCPStatus.ESTABLISHED)
        {
            //print the data received from server
            Console.WriteLine(packet.Ethernet.IpV4.Tcp.Payload.ToString());
            communicator.SendPacket(Utils.BuildTcpResponsePacket(packet, TcpControlBits.Acknowledgment));
    
        }
        break;

    运行效果

    代码修改好之后,运行代码。

    通过console端可以看到,在连接为'ESTABLISHED'状态下,客户端收到的来自服务端的字节数。

    通过Wireshark抓包可以看到,在连接建立请求包[SYN]中增加了MSS的设置,并且以后的数据传出中,TCP数据包的payload长度最大就是MSS的值。

    下面就开始介绍上面实验中涉及的TCP数据传输的知识点。

    TCP分段和IP分片

    在网络上传输的数据包是有大小限制,这里就需要知道TCP分段和IP分片的概念了。

    跟这两个概念紧密相关的就是MSS(Maximum Segment Size)和MTU(Maximum Transmission Unit)这两个指标了,这两个指标的值大小直接决定了TCP分段和IP分片。

    下面分别看看MSS和MTU。

    MTU

    首先来看看MTU。

    以太网和802.3对数据帧的长度都有一个限制,最大值分别是1500和1492个字节。链路层的这个指标称作MTU(注意MTU是链路层的概念),不同类型的网络大多数都有一个上限。

    如果网络层(IP层)有一个数据报需要传输,且数据的长度比链路层的 MTU还大,那么网络层(IP层)就要进行分片(fragmentation),把数据报分成若干片,保证每一个分片都小于MTU;目的端的网络层(IP层)会对收到的分片进行重新组装。

    也就是说,分片和重新组装过程发生在网络层(IP层),所以对运输层(TCP/UDP)是透明的。

    下面看看通过ping命令演示IP分片,ping命令属于ICMP(Internet Control Messages Protocol)协议:

    Wireshark的结果为下,这5000个字节的数据被分别放在了四个IP分片中,每个分片(最后一个分片除外)中的数据长度等于1480(1500 – 20[IP header]):

    IP分片的问题:IP分片有一个很大的问题,由于IP层本身没有超时重传机制,即使只丢失一片数据也要重新传整个数据报。也就是说,对于上面截图中的4个Frame,任何一个丢失了,另外3个都需要进行重传。

    使用UDP和ICMP的时候很容易导致IP分片,因为UDP和ICMP是不考虑MTU和分片的,而是把这些工作都丢给了网络层(IP层);但是,为了减少IP分片对TCP的影响,在TCP中提出了MSS来试图避免IP分片。

    MSS

    MSS就是TCP数据包每次能够传输的最大数据分段。

    为了达到最佳的传输效能TCP协议在建立连接的时候通常要协商双方的MSS值,这个值TCP协议在实现的时候往往用MTU值代替(需要减去IP数据包首部的大小20Bytes和TCP数据段的首部20Bytes),所以往往MSS为1460。通讯双方会根据双方提供的MSS值得最小值确定为这次连接的最大MSS值。

    回到本文开始的例子,在建立TCP连接的时候,客户端指定了MSS为800,服务端指定的MSS为1460。经过协商后,双方采用了较小的MSS,所以以后的数据包长度最到为800字节。TCP就是通过这种方式来避免IP分片的。

    再看一个MSS的例子,通过Wireshark抓取了一段HTTP请求,通过GET方法请求jquery的一组数据包。

    通过下面可以看到,当应用层有一个超过MSS的数据需要发送的时候,TCP会把应用层的数据分成多个TCP分段然后发送出去。每一个分段包都包含TCP首部,然后传递给网络层进一步增加IP首部。

    区别

    通过上面可以看到TCP分段和IP分片有下面的主要区别:

    TCP分段发生在传输层,分段的依据是MSS;IP分片发生在网络层,分片的依据是MTU TCP分段是在传输层完成,并在传输层进行重组;IP分片由网络层完成,也在网络层进行重组

    再看Seq和Ack号

    TCP传输的可靠性是通过Seq和Ack号来进行保证的,所以可以看出Seq和Ack号的重要性。

    文章开始的实验中,另一个需要注意的地方就是Seq和Ack号的变化。

    在前面TCP连接的相关文章中已经介绍了连接建立和终止时候Seq和Ack号的变化,可以总结得到下面公式:

    确认包的Ack = 待确认包(特殊标志包)的Seq + 1

    从Wireshark的截图中可以看到在数据传输中Seq和Ack号的变化。

    对于数据包的确认,可以使用下面的方式进行计算:

    确认包的Ack = 待确认数据包的Seq + 待确认数据包的数据长度(Len)

    关于TCP半连接

    在介绍TCP终止连接的时候,提到了由于TCP是全双工的,所以需要经过四次挥手才能关闭TCP连接。

    TCP中有一个半连接的概念,就是TCP连接的一端在结束它的发送后,还能接收来自另一端数据。

    还是回到文章开始的例子,服务端发出了终止TCP连接的请求[FIN, ACK],客户端进行了确认,到此服务端到客户端方向的TCP连接就关闭了。

    但是,随后客户端向服务端发送了一段长度为480字节的数据,然后才关闭客户端到服务端方向的TCP连接。

    总结

    本文主要介绍了TCP数据传输中的几个重要的概念。

    MSS(Maximum Segment Size) Seq号和Ack号 TCP半连接

    通过这篇文章,一定能很好的认识TCP分段和IP分片的区别,以及MSS和MTU的关系。

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