TCP/IP报文详解

TCP/IP定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的协议来完成自己的需求。
TCP负责发现传输的问题，一有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地，而IP是给因特网的每台联网设备规定一个地址。TCP/IP协议数据封装的过程包括用户数据经过应用层协议封装后传递给传输层，传输层封装TCP头部，交给网络层，网络层封装IP头部后，再交给数据链路层，数据链路层封装Ethernet帧头和帧尾，交给物理层，物理层以比特流的形式将数据发送到物理线路上。
不同的协议层对数据包有不同的称谓，数据包在传输层叫作段（segment），在网络层叫作数据报（datagram），在链路层叫作帧（frame）。数据封装成帧后发到传输介质上，到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部，最后将应用层数据交给应用程序处理，如图15-1所示。
优化Linux服务器，需要了解TCP协议相关信息，例如TCP/IP数据报文的内容是如何传输的，IP数据包报文详细结构图如图所示。

TCP/IP协议数据包封装过程

IP数据包报文详细结构图
IP数据包详解如下：
(1)source port和destination port：分别占用16位，表示源端口号和目的端口号，用于区别主机中的不同进程。而IP地址是用来区分不同的主机的，源端口号和目的端口号配合上IP首部中的源IP地址和目的IP地址就能唯一的确定一个TCP连接。
(2)sequence number：用来标识从TCP发端向TCP收端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的第一个数据字节在数据流中的序号，主要用来解决网络报乱序的问题。
(3)acknowledgment number：32位确认***包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号，因此，确认序号应当是上次已成功收到数据字节序号加1。不过，只有当标志位中的ACK标志（下面介绍）为1时该确认***的字段才有效。主要用来解决不丢包的问题。
(4)offset：给出首部中32位的数目，需要这个值是因为任选字段的长度是可变的。这个字段占用4位（最多能表示15个32位的的字，即4×15＝60个字节的首部长度），因此TCP最多有60字节的首部。然而，没有任选字段，正常的长度是20字节。
(5)TCP flags：TCP首部中有6个标志位，它们中的多个可同时被设置为1，主要是用于操控TCP的状态机，依次为URG，ACK，PSH，RST，SYN，FIN。每个标志位的含义如下：
•□　URG：此标志表示TCP包的紧急指针域（下面即将介绍）有效，用来保证TCP连接不被中断，并且督促中间层设备要尽快处理这些数据。
•□　ACK：此标志表示应答域有效，就是说前面所说的TCP应答号将会包含在TCP数据包中。有两个取值0和1，为1则表示应答域有效，反之为0。
•□　PSH：这个标志位表示push操作。所谓push操作就是指在数据包到达接收端以后，立即传送给应用程序，而不是在缓冲区中排队。
•□　RST：这个标志表示连接复位请求。用来复位那些产生错误的连接，也被用来拒绝错误和非法的数据包。
•□　SYN：表示同步序号，用来建立连接。SYN标志位和ACK标志位搭配使用，当连接请求的时候，SYN＝1，ACK＝0；连接被响应的时候，SYN＝1，ACK＝1。这个标志的数据包经常被用来进行端口扫描。扫描者发送一个只有SYN的数据包，如果对方主机响应了一个数据包回来，就表明这台主机存在这个端口。但是由于这种扫描方式只是进行TCP三次握手的第一次握手，因此这种扫描的成功表示被扫描的机器不是很安全，一台安全的主机将会强制要求一个连接严格地进行TCP的三次握手。
•□　FIN：表示发送端已经达到数据末尾，也就是说双方的数据传送完成，没有数据可以传送了，发送FIN标志位的TCP数据包后，连接将被断开。这个标志的数据包也经常被用于进行端口扫描。
(6)window：窗口大小，也就是有名的滑动窗口，用来进行流量控制。
二、TCP三次握手及四次断开
TCP是面向连接的，无论哪一方向在另一方发送数据之前，都必须先在双方之间建立一条连接。在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接服务，连接是通过三次握手进行初始化的。三次握手的目的是同步连接双方的***和确认号并交换TCP窗口大小信息，如图所示。
(1)TCP三次握手原理如下：
•第一次握手：建立连接。客户端发送连接请求报文段，将SYN位置为1，sequence number为x，然后客户端进入SYN_SEND状态，等待
•第二次握手：服务器收到SYN报文段。服务器收到客户端的SYN报文段，需要对这个SYN报文段进行确认，设置acknowledgment number为x＋1（sequence number＋1）。同时，自己还要发送SYN请求信息，将SYN位置为1，sequence number为y。服务器端将上述所有信息放到一个报文段（即SYN＋ACK报文段）中，一并发送给客户端，此时服务器进入SYN_RECV状态。
第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK报文段。然后将acknowledgment number设置为y＋1，向服务器发送ACK报文段，这个报文段发送完毕以后，客户端和服务器端都进入ESTABLISHED状态，完成TCP三次握手。
如下图所示为基于tcpdump抓取TCP/IP三次握手及数据包传输过程。
(2)TCP四次挥手原理如下：
•第一次挥手：主机A（可以使客户端，可以是服务器端），设置sequence number和acknowledgment number，向主机B发送一个FIN报文段。此时，主机A进入FIN_ WAIT_1状态，这表示主机A没有数据要发送给主机B。
•第二次挥手：主机B收到了主机A发送的FIN报文段，向主机A回一个ACK报文段，acknowledgment number为sequence number加1，主机A进入FIN_WAIT_2状态。主机B告诉主机A，我“同意”你的关闭请求。
•第三次挥手：主机B向主机A发送FIN报文段，请求关闭连接，同时主机B进入LAST_ACK状态。
•第四次挥手：主机A收到主机B发送的FIN报文段，向主机B发送ACK报文段，然后主机A进入TIME_WAIT状态。主机B收到主机A的ACK报文段以后，就关闭连接。此时，主机A等待2MSL后依然没有收到回复，则证明server端已正常关闭，这样，主机A也可以关闭连接。


TCP四次挥手抓包分析