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TCP通信流程解析

网络通信/流媒体 弦苦 2414次浏览 0个评论

 

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。

HTTPHyperText 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解析渲染引擎Analyze Render Engine)。

当在浏览器地址栏敲入“http://www.baidu.com/”并按下回车键时,浏览器中将呈现出百度搜索引擎首页。这样一种情景我们再熟悉不过,本文通过wireshark抓取这一过程的数据包,结合TCP协议分析HTTP通信的基本流程。

IP & MTU

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通信流程解析

TCP数据包每次能够传输的最大数据分段为MSS(Maximum Segment Size)。

为了达到最佳的传输效能,在建立TCP连接时双方将协商MSS值——双方提供的MSS值中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 FragmentDF=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 FragmentDF=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 & MSS

下图是 TCP 报文格式:

TCP通信流程解析

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

下图是 UDP 报文格式:

TCP通信流程解析

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548

“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

1.wireshark抓包

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。可点击下面的图片超链接下载pcap文件,使用wireshark软件打开查看。

为方便起见,以下将客户端(浏览器)简称为C,将服务器(百度后台)简称为S。

TCP通信流程解析

2.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

2.1 三次握手的socket层执行逻辑

S调用socketlisten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。

2.2 关于Seq和Ack

SeqSequence Number为源端source发送序列号AckAcknowledgment Number为目的端destination接收确认序列号。在Wireshark Display Filter中,可使用tcp.seqtcp.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ISN(Initial Sequence Number),后期某一时刻的Seq=ISN+累计发送量(cumulative sent);Ack=1为C的IAN(Initial Acknowledge Number),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

3.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  192.168.89.125:5672220.181.6.175:80 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。

Shttp)收到HTTP GET报文(共363个字节),向Camqp)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,SISN,意为已发送过SYNPacket2中,Ack=1SIAN。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,SC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“GET / HTTP/1.1”请求,先发送带[PSH]标识的411个字节的Http Response HeaderPacket 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Csocket调用sendIPPROTO_TCP选项级别设置TCP_NODELAYTRUE禁用Nagle算法可以“保留发送边界”,以防粘连

尽管握手协商的MSS1460,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DFDon’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 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 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socketsend函数发送2139个字节的Http Response ContentPacket 7Packet 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]

—————————————————————————————————-

“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)

Packet6Packet7Packet9ACK都是364,这是因为这三个segment都是针对Packet4TCP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。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)]

Camqp)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

<img src=”http://www.baidu.com/img/baidu_logo.gif” width=”270″ height=”129″ usemap=”#mp”>

{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,Cjms)新建一个连接(TCP 5673)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,Camqp)还将发起GET /favicon.ico HTTP/1.1请求网站地址栏图标,见报文Packet29。

4.TCP四次挥手关闭连接

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)。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ACKSYN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

TCP传输协议抓包经验


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