TCP協定基礎知識及wireshark抓包分析實戰

TCP相關知識

應swoole長連線開發調研相關TCP知識並記錄。

資料封包流程

如圖，如果我需要傳送一條資料給使用者，實際的大小肯定是大於你傳送的大小，在各個資料層都進行了資料的封包，以便你的資料能完整的發給你想要的使用者。

乙太網的封包的負載是1500位元組，IP包頭需要20個位元組，TCP的包頭需要20個位元組，實際的資料內容大小則是1460個位元組，如圖：

OSI模型術語

 

應用層：

如nginx、swoole等，大部分的資料都只需要關心應用層即可，我需要傳輸什麼資料，我只需要呼叫對應的方法、傳送給已知的IP、埠即可。

TCP層：

對應用層的資料進行包裝，TCP的報文格式如下圖，TCP/UDP層規定了資料的交換格式，如何進行握手、連結，如果加快資料傳輸、保證資料的完整性等。

TCP層主要有幾個演算法可以關注下：

慢啟動、擁塞避免、快速重傳、快恢復、滑動視窗

IP層：

細心的人也許已經發現TCP報文格式只有你傳送的源埠和目標埠，並沒有要傳送的IP地址和你的IP地址，這些其實都封包在IP層

資料鏈路層：

資料轉換為frame（幀）進行資料傳輸，為終端通訊提供傳輸媒體和連結，常用裝置有網絡卡、交換機等

物理層：

傳輸位元流，物理裝置傳輸的層，屬於硬體領域範疇，如光纖裝置

TCP報文格式

Wireshark抓的某個包截圖：

TCP報文格式說明

1、埠號：用來標識同一台計算機的不同的應用進程。

1）源埠：源埠和IP地址的作用是標識報文的返回地址。

2）目的埠：埠指明接收方計算機上的應用程式介面。

TCP報頭中的源埠號和目的埠號同IP資料包中的源IP與目的IP唯一確定一條TCP連線。

2、序號和確認號：是TCP可靠傳輸的關鍵部分。序號是本報文段傳送的資料組的第一個位元組的序號。在TCP傳送的流中，每一個位元組一個序號。e.g.一個報文段的序號為300，此報文段資料部分共有100位元組，則下一個報文段的序號為400。所以序號確保了TCP傳輸的有序性。確認號，即ACK，指明下一個期待收到的位元組序號，表明該序號之前的所有資料已經正確無誤的收到。確認號只有當ACK標誌為1時才有效。比如建立連線時，SYN報文的ACK標誌位為0。

3、資料偏移／首部長度：4bits。由於首部可能含有可選項內容，因此TCP報頭的長度是不確定的，報頭不包含任何任選欄位則長度為20位元組，4位元首部長度欄位所能表示的最大值為1111，轉化為10進位制為15，15*32/8 = 60，故報頭最大長度為60位元組。首部長度也叫資料偏移，是因為首部長度實際上指示了資料區在報文段中的起始偏移值。

4、保留：為將來定義新的用途保留，現在一般置0。

5、控制位：URG  ACK  PSH  RST  SYN  FIN，共6個，每一個標誌位表示一個控制功能。

1）URG：緊急指標標誌，為1時表示緊急指標有效，為0則忽略緊急指標。

2）ACK：確認序號標誌，為1時表示確認號有效，為0表示報文中不含確認資訊，忽略確認號欄位。

3）PSH：push標誌，為1表示是帶有push標誌的資料，指示接收方在接收到該報文段以後，應儘快將這個報文段交給應用程式，而不是在緩衝區排隊。

4）RST：重置連線標誌，用於重置由於主機崩潰或其他原因而出現錯誤的連線。或者用於拒絕非法的報文段和拒絕連線請求。

5）SYN：同步序號，用於建立連線過程，在連線請求中，SYN=1和ACK=0表示該資料段沒有使用捎帶的確認域，而連線應答捎帶一個確認，即SYN=1和ACK=1。

6）FIN：finish標誌，用於釋放連線，為1時表示傳送方已經沒有資料傳送了，即關閉本方資料流。

6、視窗：滑動視窗大小，用來告知傳送端接受端的快取大小，以此控制傳送端傳送資料的速率，從而達到流量控制。視窗大小時一個16bit欄位，因而視窗大小最大為65535。

7、校驗和：奇偶校驗，此校驗和是對整個的 TCP 報文段，包括 TCP 頭部和 TCP 資料，以 16 位字進行計算所得。由傳送端計算和儲存，並由接收端進行驗證。

8、緊急指標：只有當 URG 標誌置 1 時緊急指標才有效。緊急指標是一個正的偏移量，和順序號欄位中的值相加表示緊急資料最後一個位元組的序號。 TCP 的緊急方式是傳送端向另一端傳送緊急資料的一種方式。

9、選項和填充：最常見的可選欄位是最長報文大小，又稱為MSS（Maximum Segment Size），每個連線方通常都在通訊的第一個報文段（為建立連線而設定SYN標誌為1的那個段）中指明這個選項，它表示本端所能接受的最大報文段的長度。選項長度不一定是32位元的整數倍，所以要加填充位，即在這個欄位中加入額外的零，以保證TCP頭是32的整數倍。

10、資料部分： TCP 報文段中的資料部分是可選的。在一個連線建立和一個連線終止時，雙方交換的報文段僅有 TCP 首部。如果一方沒有資料要傳送，也使用沒有任何資料的首部來確認收到的資料。在處理超時的許多情況中，也會傳送不帶任何資料的報文段。

TCP三次握手圖形

IP報文格式參考

IP報文是對TCP的資料進行了一次包裝，再傳送給資料鏈路層，IP報文格式固定格式為20個位元組，如圖：

更多協定（IP TCP UDP）的報文格式參考：

http://blog.51cto.com/mmanong/1962353

TCP 視窗大小（cwnd）

TCP慢啟動

當第一次進行SYN建立連結的時候，用戶端會與伺服器端進行溝通MSS的大小，一般為1460 Byte,每當有一個報文欄位被確認，cwnd就增加一個MSS大小，這樣隨著網路時間RTT的呈指數級增長，但是也不會一直指數級別增加，會有一個最大值的限制

資料測試

伺服器端指令碼（swoole）

Wireshark抓包

用戶端傳送資料後進行抓包，如圖：

Wireshark流程統計檢視

統計-流量圖-顯示過濾器的限制，選擇TCP Flows：

從結果可以看到tcp從SYN、ACK、FIN的整個過程及每個過程的耗時情況。

TCP視窗大小調研結論

1、  TCP一次封包傳送資料大小不能超過MMS設定，一般為1460位元組

2、  TCP慢啟動特性在初始傳輸資料的時候並不是直接傳送1460資料，而通過慢啟動演算法指數遞增，演算法本身不支援進行引數改動