Wireshark抓包：理解TCP三次握手和四次挥手过程

TCP是一种面向连接、端到端可靠的协议，它被设计用于在互联网上传输数据和确保成功传递数据和消息。本节来介绍一下TCP中的三次握手和四次挥手。

1 TCP头部格式

TCP头部占据TCP段的前20个字节，其中包含端到端TCP套接字的参数和状态。如下图所示：

下面来逐个解释一下这些字段：

• 源端口(Source port)：16位，用于标识源端口号(发送方的TCP端口)
• 目标端口(Destination port)：16位，用于标识目标端口号(接收方的TCP端口)
• 序列号(Sequence number)：32位，指示在TCP会话期间发送了多少数据。当建立新的TCP连接时，初始序列号是一个随机值。
• 确认号(``Acknowledgment Number`)：32位，由接收方用于请求下一个TCP段。如果设置了ACK控制位，该字段包含段发送方期望接收的下一个序列号的值。一旦建立了连接，这个字段总是被发送。
• 数据偏移(Data offset)：4位，显示头部中32位字的数量，也称为头部长度
• 保留数据(Reserved data)：6位，保留字段，始终设置为零
• 控制位标志(Control bit Flags)：TCP使用9位控制标志来管理特定情况下的数据流，例如建立连接、发送数据和终止连接
  • URG: 与后面的紧急指针字段相关，当设置了此位时，数据应被视为优先于其他数据。
  • ACK: 与ACK相关，确认字段用于指示已成功接收到的数据量，如果设置了此字段，说明发送方期望接收方继续发送下一个TCP段
  • PSH: 推送功能，表示发送方希望接收方立即传输数据，而不必等到整个TCP段的数据都准备好再传输
  • RST: 重置连接，仅在存在无法恢复的错误时使用
  • SYN: 同步序列号，此标志用于设置初始序列号
  • FIN: 完成位用于结束TCP连接，因为TCP是全双工连接，所以双方都必须使用FIN位来结束连接
• 窗口(Window)：16位，指定接收方愿意接收多少字节
• 校验和(Checksum)：16位，用于对头部和数据进行错误检查
• 紧急指针(Urgent Pointer)：如果设置了URG控制标志，该值表示与序列号的偏移，指示最后一个紧急数据字节
• 选项(Options)：可选，长度可为0~320位之间的任意大小

2 wireshark抓包分析

程序流程：服务端监听本地环回地址127.0.0.1的12345端口，客户端则连接这个端口，连接上后服务端发送一个Hello, World!给客户端。

先来了解一下SEQ和ACK的概念：

2.1 SEQ和ACK

客户端和服务器之间建立TCP连接时会进行三次握手。先来理解一下SEQ、ACK的概念：

1. 序列号(SEQ)： 表示发送方发送的数据的起始位置。每发送一个新的数据段，序列号就会递增。
2. 确认号(ACK)： 表示接收方期望下次收到的数据的序列号。当接收方收到数据后，它会发送一个带有确认号的ACK，告诉发送方它已成功接收到了特定序列号之前的所有数据。
3. 下一个期望的ACK： 当接收方收到一段数据时，ACK表示已成功接收的数据的下一个期望的序列号。因此，下一个期望的ACK号通常是上一个ACK号加上接收到的数据的长度。

2.2 三次握手

1、客户端发送SYN给服务端

• 在wireshark中SEQ使用相对0的值，为的是方便分析，所以这里是0

从上图中可以看到SYN标识被设置：

2.服务端回复带有SEQ和ACK的SYN-ACK数据包

如下图所示：

3.客户端向服务器发送一个带有ACK号的数据包，确认服务器的序列号

如下图所示：

此时双方的SEQ已同步，以上就是三次握手的内容。下面客户端和服务器可以独立地发送和接收数据。

4.服务器向客户端发送“Hello, World!”

5.客户端向服务器发送一个ACK号，确认服务器的消息

上一个ACK号为1，长度为13，因此ACK号将为13+1=14。

2.3 四次挥手

接着上面的抓包来看，在程序中，服务端发送完“Hello, World!”后就关闭了客户端的socket。

1.服务端发送FIN给客户端

如下图所示：

2.客户端向服务器发送一个ACK号，确认服务器的FIN请求

如下图所示：

3.TCP是一种全双工连接，因此，客户端也向服务器发送一条消息以关闭连接

• 前面的图中最后一行是红色的RST是我不小心直接关闭了程序，下面的图为重新抓的包，注意看最后两条即可

如下图所示：

4.服务器向客户端发送一个ACK号，确认客户端的FIN请求

如下图所示：

3 程序

本文的代码使用Windows环境下的网络编程库，所以需要在链接库中增加ws2_32。

服务端

// Server.c

#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    WSADATA wsaData;
    SOCKET listenSocket, clientSocket;
    struct sockaddr_in serverAddr, clientAddr;
    int addrLen = sizeof(clientAddr);
    char buffer[1024] = "Hello, World!";

    // Initialize Winsock
    if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0) {
        fprintf(stderr, "WSAStartup failed\n");
        return 1;
    }

    // Create a socket
    if ((listenSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == INVALID_SOCKET) {
        fprintf(stderr, "Socket creation failed\n");
        WSACleanup();
        return 1;
    }

    // Set up server address information
    memset(&serverAddr, 0, sizeof(serverAddr));
    serverAddr.sin_family = AF_INET;
    serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    serverAddr.sin_port = htons(12345);

    // Bind the socket
    if (bind(listenSocket, (struct sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) == SOCKET_ERROR) {
        fprintf(stderr, "Bind failed\n");
        closesocket(listenSocket);
        WSACleanup();
        return 1;
    }

    // Listen for incoming connections
    if (listen(listenSocket, SOMAXCONN) == SOCKET_ERROR) {
        fprintf(stderr, "Listen failed\n");
        closesocket(listenSocket);
        WSACleanup();
        return 1;
    }

    printf("Server listening on 127.0.0.1:12345\n");

    // Accept a connection from a client
    if ((clientSocket = accept(listenSocket, (struct sockaddr*)&clientAddr, &addrLen)) == INVALID_SOCKET) {
        fprintf(stderr, "Accept failed\n");
        closesocket(listenSocket);
        WSACleanup();
        return 1;
    }

    // Send data to the client
    send(clientSocket, buffer, strlen(buffer), 0);

    printf("Data sent to the client\n");

    // Clean up
    closesocket(clientSocket);
    closesocket(listenSocket);
    WSACleanup();

    return 0;
}

客户端

// Client.c

#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    WSADATA wsaData;
    SOCKET clientSocket;
    struct sockaddr_in serverAddr;
    char buffer[1024];

    // Initialize Winsock
    if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0) {
        fprintf(stderr, "WSAStartup failed\n");
        return 1;
    }

    // Create a socket
    if ((clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == INVALID_SOCKET) {
        fprintf(stderr, "Socket creation failed\n");
        WSACleanup();
        return 1;
    }

    // Set up server address information
    memset(&serverAddr, 0, sizeof(serverAddr));
    serverAddr.sin_family = AF_INET;
    serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    serverAddr.sin_port = htons(12345);

    // Connect to the server
    if (connect(clientSocket, (struct sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) == SOCKET_ERROR) {
        fprintf(stderr, "Connection failed\n");
        closesocket(clientSocket);
        WSACleanup();
        return 1;
    }

    // Receive data from the server
    int bytesRead = recv(clientSocket, buffer, sizeof(buffer), 0);
    if (bytesRead > 0) {
        buffer[bytesRead] = '\0'; // Null-terminate the received data
        printf("Received data from server: %s\n", buffer);
    } else {
        fprintf(stderr, "Error receiving data\n");
    }
    while(1)
    {
        if(recv(clientSocket, buffer, sizeof(buffer), 0) == 0)
        {
            break;
        }
    }
    // Clean up
    closesocket(clientSocket);
    WSACleanup();

    return 0;
}