spring建立一个tcpsocket长连接_动手学习TCP：TCP连接建立与终止，它是一个面向连接的协议...

TCP是一个面向连接的协议&＃xff0c;任何一方在发送数据之前&＃xff0c;都必须先在双方之间建立一条连接。所以&＃xff0c;本文就主要看看TCP连接的建立和终止。

在开始介绍TCP连接之前&＃xff0c;先来看看TCP数据包的首部&＃xff0c;首部里面有很多重要的字段&＃xff0c;在我们实现程序的时候需要进行设置。

在OSI七层模型中&＃xff0c;上层的数据包都会作为下层数据包的数据部分(payload)。

也就是说&＃xff0c;当构造TCP数据包的时候&＃xff0c;会把应用层的数据包作为TCP包的数据部分&＃xff0c;然后加上TCP头构成TCP数据包&＃xff1b;同样&＃xff0c;当构造IP数据包的时候&＃xff0c;整个TCP包就会被当作数据部分&＃xff0c;然后加上IP头构成IP数据包。

TCP头的数据格式如下&＃xff0c;在不包括可选字段的情况下&＃xff0c;一般TCP头会占用20个字节。

在TCP首部中&＃xff0c;有几个字段是需要关注一下&＃xff1a;

• 在TCP首部中没有源和目标的IP、MAC地址(IP和MAC地址分别是网络层和链路层首部的信息)&＃xff0c;只有源和目标的端口
• Sequence Number是包的序号&＃xff0c;网络层(IP层)的传输是不可靠的&＃xff0c;可能产生包乱序&＃xff0c;所以这个需要可以解决网络包乱序的问题
• Acknowledgement Number用来确认收到数据包的确认序号&＃xff0c;为TCP的传输提供了可靠性保证
• TCP Flags包括了8个bit&＃xff0c;通过对这些bit的设置&＃xff0c;可以代表不同类型的TCP数据包

下面就看看TCP连接的建立和终止。

TCP连接建立的过程被称为三次握手过程&＃xff1a;

1. 连接建立发起端发送[SYN]包&＃xff0c;该端将主动打开(active open)
2. 接收端将发送[SYN, ACK]包&＃xff0c;该端将被动打开(passive open)&＃xff0c;ACK标志表示对收到的[SYN]包的确认
3. 连接建立发起端发送[ACK]包确认[SYN, ACK]包

连接建立过程中&＃xff0c;一个重要的工作就是初始化Sequence Number&＃xff0c;通信的双方在建立连接的过程中互相通知对方自己的初始Sequence Number(ISN&＃xff1a;Initial Sequence Number)。ISN不是固定的&＃xff0c;ISN跟时钟绑定&＃xff0c;根据特定的间隔自增&＃xff0c;直到超过2^32&＃xff0c;又从0开始。

SYN全称就是Synchronize Sequence Number&＃xff0c;通过seq序号&＃xff0c;TCP就可以保证数据包的顺序&＃xff1b;通过ack序号&＃xff0c;TCP就有了可靠性。

在建立TCP连接的过程中&＃xff0c;有以下两点需要注意一下&＃xff1a;

1. [SYN]标志的数据包会使用消耗一个序号&＃xff0c;所以对端的确认号(ack)是当前序号(seq)加一
2. 当被动打开端发送[ACK]确认包的时候&＃xff0c;同时设置了[SYN]标志&＃xff0c;所以TCP连接建立的过程只需要三次握手&＃xff0c;而不是四次

TCP连接终止的过程被称为四次挥手过程&＃xff0c;以下图为例&＃xff1a;

1. 连接终止端(client)发送[FIN, ACK] 包&＃xff0c;关闭client到server方向的数据发送通路
2. server端发送[ACK]包来确认来自client的[FIN, ACK] 包
3. server端发送[FIN, ACK] 包&＃xff0c;关闭server到client方向的数据发送通路
4. client端发送[ACK]包来确认来自server的[FIN, ACK] 包&＃xff0c;到此TCP连接关闭

在建立TCP连接的过程中&＃xff0c;有以下两点需要注意一下&＃xff1a;

• [FIN]标志的数据包会使用消耗一个序号&＃xff0c;所以对端的确认号(ack)是当前序号(seq)加一
• 与建立连接时的三次 握手不同&＃xff0c;终止连接需要四次挥手因为TCP连接是全双工的&＃xff0c;每个方向都必须单独进行关闭。当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动&＃xff0c;但是TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据

好了&＃xff0c;了解了TCP连接建立和终止的基本知识后&＃xff0c;就可以通过Pcap.Net来进行TCP连接建立和终止的实验了。

建立连接代码的基本流程如下&＃xff1a;

1. client程序使用一个初始的seq序号(100)&＃xff0c;然后生成并发送一个带[SYN]标志的TCP包
2. client将期待来自服务端的[SYN, ACK]包
3. 当收到[SYN, ACK]包之后&＃xff0c;client需要生成并发送一个[ACK]包进行确认&＃xff0c;这个[ACK]包的ack号是[SYN, ACK]包seq号加一

终止连接代码的基本流程如下&＃xff1a;

1. client程序delay 10秒钟&＃xff0c;然后发送[FIN, ACK]包关闭client到server的通路&＃xff0c;继续使用全局的seq号
2. client将期待来自服务端的[ACK]包&＃xff0c;以及[FIN, ACK]包
3. 最后client发送[ACK]包&＃xff0c;seq号需要加一&＃xff0c;因为[FIN]标志的包将消耗一个序号&＃xff0c;TCP连接终止完成

主程序如下&＃xff0c;发送TCP连接建立和终止请求&＃xff0c;每个请求发送后都用PacketHandler处理收到的包&＃xff1a;

communicator.SendPacket(Utils.BuildTcpPacket(endPointInfo, TcpControlBits.Synchronize, null));

PacketHandler(communicator, endPointInfo);

// delay 10 secs, then client to send Fin

Thread.Sleep(10000);

communicator.SendPacket(Utils.BuildTcpPacket(endPointInfo, TcpControlBits.Fin | TcpControlBits.Acknowledgment));

PacketHandler(communicator, endPointInfo);

程序的主要逻辑在PacketHandler中&＃xff0c;这个函数根据收到的不同TCP包的类型完成不同的逻辑&＃xff0c;产生并发送不同类型的包。

例如&＃xff0c;当PacketHandler接收到来自服务端的[SYN, ACK]包后&＃xff0c;处理函数就会生成并发送一个[ACK]确认包。也就是说&＃xff0c;PacketHandler的逻辑就是实现了TCP连接建立和终止的逻辑。

private static void PacketHandler(PacketCommunicator communicator, EndPointInfo endPointInfo)

{

Packet packet &＃61; null;

bool running &＃61; true;

do

{

PacketCommunicatorReceiveResult result &＃61; communicator.ReceivePacket(out packet);

switch (result)

{

case PacketCommunicatorReceiveResult.Timeout:

// Timeout elapsed

continue;

case PacketCommunicatorReceiveResult.Ok:

bool isRecvedPacket &＃61; (packet.Ethernet.IpV4.Destination.ToString() &＃61;&＃61; endPointInfo.SourceIp) ? true : false;

if (isRecvedPacket)

{

switch (packet.Ethernet.IpV4.Tcp.ControlBits)

{

case (TcpControlBits.Synchronize | TcpControlBits.Acknowledgment):

Utils.PacketInfoPrinter(packet);

Packet ack4SynAck &＃61; Utils.BuildTcpResponsePacket(packet, TcpControlBits.Acknowledgment);

communicator.SendPacket(ack4SynAck);

break;

case (TcpControlBits.Fin | TcpControlBits.Acknowledgment):

Utils.PacketInfoPrinter(packet);

Packet ack4FinAck &＃61; Utils.BuildTcpResponsePacket(packet, TcpControlBits.Acknowledgment);

communicator.SendPacket(ack4FinAck);

break;

case TcpControlBits.Acknowledgment:

Utils.PacketInfoPrinter(packet);

break;

default:

Utils.PacketInfoPrinter(packet);

break;

}

}

else

{

switch (packet.Ethernet.IpV4.Tcp.ControlBits)

{

case (TcpControlBits.Fin | TcpControlBits.Acknowledgment):

Utils.PacketInfoPrinter(packet);

break;

case TcpControlBits.Synchronize:

Utils.PacketInfoPrinter(packet);

break;

case TcpControlBits.Acknowledgment:

Utils.PacketInfoPrinter(packet);

running &＃61; false;

break;

default:

Utils.PacketInfoPrinter(packet);

break;

}

}

break;

default:

throw new InvalidOperationException("The result " &＃43; result &＃43; " should never be reached here");

}

} while (running);

}

在PacketHandler函数中用到了BuildTcpResponsePacket这个函数&＃xff0c;这个函数根据收到的TCP包&＃xff0c;来构建response包。

这个函数有下面几个注意点&＃xff1a;

• 该函数会根据收到的包&＃xff0c;设置response包的源和目的地址
• 该函数会接受PacketHandler传递来的TCP flags&＃xff0c;并设置到TCP首部中
• 该函数的另一个重要部分就是会计算并设置TCP首部中的seq号ack号&＃xff0c;这一点很重要

public static Packet BuildTcpResponsePacket(Packet packet, TcpControlBits tcpControlBits)

{

EthernetLayer ethernetHeader &＃61; new EthernetLayer

{

Source &＃61; new MacAddress(packet.Ethernet.Destination.ToString()),

Destination &＃61; new MacAddress(packet.Ethernet.Source.ToString()),

EtherType &＃61; EthernetType.None, // Will be filled automatically.

};

IpV4Layer ipHeader &＃61; new IpV4Layer

{

Source &＃61; new IpV4Address(packet.Ethernet.IpV4.Destination.ToString()),

CurrentDestination &＃61; new IpV4Address(packet.Ethernet.IpV4.Source.ToString()),

Fragmentation &＃61; IpV4Fragmentation.None,

HeaderChecksum &＃61; null, // Will be filled automatically.

Identification &＃61; 123,

Options &＃61; IpV4Options.None,

Protocol &＃61; null, // Will be filled automatically.

Ttl &＃61; 100,

TypeOfService &＃61; 0,

};

TcpLayer tcpHeader &＃61; new TcpLayer

{

SourcePort &＃61; packet.Ethernet.IpV4.Tcp.DestinationPort,

DestinationPort &＃61; packet.Ethernet.IpV4.Tcp.SourcePort,

Checksum &＃61; null, // Will be filled automatically.

SequenceNumber &＃61; seqNum &＃61; packet.Ethernet.IpV4.Tcp.AcknowledgmentNumber,

AcknowledgmentNumber &＃61; ackNum &＃61; packet.Ethernet.IpV4.Tcp.SequenceNumber &＃43; (uint)((packet.Ethernet.IpV4.Tcp.Payload.Length > 0) ? packet.Ethernet.IpV4.Tcp.Payload.Length : 1),

ControlBits &＃61; tcpControlBits,

Window &＃61; windowSize,

UrgentPointer &＃61; 0,

Options &＃61; TcpOptions.None,

};

PacketBuilder builder &＃61; new PacketBuilder(ethernetHeader, ipHeader, tcpHeader);

return builder.Build(DateTime.Now);

}

打开Wireshark监听"VirtualBox Host-Only Network"网卡&＃xff0c;并设置filter为"port 8081"。

然后运行程序&＃xff0c;通过console可以看到客户端发送的包&＃xff0c;以及服务端返回的包&＃xff0c;通过这些包完成了TCP连接的建立和终止。

下面是Wireshark中显示的结果&＃xff0c;Wireshark比较友好&＃xff0c;会显示相对seq号&＃xff0c;所以看到的都是从0开始编号。

注意seq号和ack号的变化&＃xff0c;[SYN]和[FIN]标志的TCP包都会消耗一个序号。

本文介绍了TCP首部&＃xff0c;通过设置TCP首部中的[SYN]标志&＃xff0c;可以构造TCP连接建立请求包&＃xff1b;通过设置[FIN]标志&＃xff0c;可以构造TCP连接终止请求包。

文中使用Pcap.Net构建了一个简单的客户端&＃xff0c;完成了向服务器建立(三次握手)和终止(四次挥手)连接的过程。

通过这个实验&＃xff0c;一定会对TCP连接的建立和终止有一个比较直观的认识。