动手学习TCP：数据传输

前面的文章介绍了TCP状态变迁，以及TCP状态变迁图中的一些特殊状态。

本文主要看看TCP数据传输过程中需要了解的一些重要点：

• MSS（Maximum Segment Size）
• Seq号和Ack号的计算
• TCP半连接

TCP数据传输实验

在开始介绍上面列出的内容之前，先看看实验程序的运行。

本文的例子代码是基于"动手学习TCP：客户端状态变迁"文章中的例子。

首先，修改了"BuildTcpPacket"这个函数，增加了两个功能：

1. 正常情况下TCP首部是20个字节，但是TCP首部支持一些特殊"Options"（MSS就是其中一个）；所以，第一个改动就是支持创建带特殊选项的TCP包
2. 第二个改动是可以通过参数设置为TCP包增加Payload，这样就可以通过TCP包传输数据了。

public static Packet BuildTcpPacket(EndPointInfo endPointInfo, TcpControlBits tcpControlBits, List<TcpOption> tcpOptionList = null, bool withPayload = false, string payloadData = "")
{
    EthernetLayer ethernetLayer =
        new EthernetLayer
        {
            Source = new MacAddress(endPointInfo.SourceMac),
            Destination = new MacAddress(endPointInfo.DestinationMac),
            EtherType = EthernetType.None, // Will be filled automatically.
        };

    IpV4Layer ipV4Layer =
        new IpV4Layer
        {
            Source = new IpV4Address(endPointInfo.SourceIp),
            CurrentDestination = new IpV4Address(endPointInfo.DestinationIp),
            Fragmentation = IpV4Fragmentation.None,
            HeaderChecksum = null, // Will be filled automatically.
            Identification = 123,
            Options = IpV4Options.None,
            Protocol = null, // Will be filled automatically.
            Ttl = 10,
            TypeOfService = 0,
        };

    TcpLayer tcpLayer =
        new TcpLayer
        {
            SourcePort = endPointInfo.SourcePort,
            DestinationPort = endPointInfo.DestinationPort,
            Checksum = null, // Will be filled automatically.
            SequenceNumber = seqNum,
            AcknowledgmentNumber = ackNum,
            ControlBits = tcpControlBits,
            Window = windowSize,
            UrgentPointer = 0,
            Options = (tcpOptionList == null) ? TcpOptions.None : new TcpOptions(tcpOptionList),
        };

    PacketBuilder builder;

    if (withPayload)
    {
        PayloadLayer payloadLayer = new PayloadLayer
        {
            Data = new Datagram(System.Text.Encoding.ASCII.GetBytes(payloadData)),
        };

        builder = new PacketBuilder(ethernetLayer, ipV4Layer, tcpLayer, payloadLayer);

        return builder.Build(DateTime.Now);
    }

    builder = new PacketBuilder(ethernetLayer, ipV4Layer, tcpLayer);

    return builder.Build(DateTime.Now);
}

代码其余的改动发生在"PacketHandler"函数中：

private static void PacketHandler(PacketCommunicator communicator, EndPointInfo endPointInfo, bool clientToSendFin = true)

增加了对于"ESTABLISHED"状态下收到数据包的处理，主要作用就是发送一个[ACK]包对收到的数据包进行确认。

case TcpControlBits.Acknowledgment:
    if (tcpStatus == TCPStatus.FIN_WAIT_1)
    {
        tcpStatus = TCPStatus.FIN_WAIT_2;
        Utils.PacketInfoPrinter(packet, tcpStatus);
    }
    else if (tcpStatus == TCPStatus.LAST_ACK)
    {
        tcpStatus = TCPStatus.CLOSED;
        Utils.PacketInfoPrinter(packet, tcpStatus);

        running = false;
    }
    else if (tcpStatus == TCPStatus.ESTABLISHED)
    {
        //print the data received from server
        Console.WriteLine(packet.Ethernet.IpV4.Tcp.Payload.ToString());
        communicator.SendPacket(Utils.BuildTcpResponsePacket(packet, TcpControlBits.Acknowledgment));

    }
    break;
case (TcpControlBits.Acknowledgment | TcpControlBits.Push):
    if (tcpStatus == TCPStatus.ESTABLISHED)
    {
        //print the data received from server
        Console.WriteLine(packet.Ethernet.IpV4.Tcp.Payload.ToString());
        communicator.SendPacket(Utils.BuildTcpResponsePacket(packet, TcpControlBits.Acknowledgment));

    }
    break;

运行效果

代码修改好之后，运行代码。

通过console端可以看到，在连接为"ESTABLISHED"状态下，客户端收到的来自服务端的字节数。

通过Wireshark抓包可以看到，在连接建立请求包[SYN]中增加了MSS的设置，并且以后的数据传出中，TCP数据包的payload长度最大就是MSS的值。

下面就开始介绍上面实验中涉及的TCP数据传输的知识点。

TCP分段和IP分片

在网络上传输的数据包是有大小限制，这里就需要知道TCP分段和IP分片的概念了。

跟这两个概念紧密相关的就是MSS（Maximum Segment Size）和MTU（Maximum Transmission Unit）这两个指标了，这两个指标的值大小直接决定了TCP分段和IP分片。

下面分别看看MSS和MTU。

MTU

首先来看看MTU。

以太网和802.3对数据帧的长度都有一个限制，最大值分别是1500和1492个字节。链路层的这个指标称作MTU（注意MTU是链路层的概念），不同类型的网络大多数都有一个上限。

如果网络层（IP层）有一个数据报需要传输，且数据的长度比链路层的 MTU还大，那么网络层（IP层）就要进行分片（fragmentation），把数据报分成若干片，保证每一个分片都小于MTU；目的端的网络层（IP层）会对收到的分片进行重新组装。

也就是说，分片和重新组装过程发生在网络层（IP层），所以对运输层（TCP/UDP）是透明的。

下面看看通过ping命令演示IP分片，ping命令属于ICMP(Internet Control Messages Protocol）协议：

Wireshark的结果为下，这5000个字节的数据被分别放在了四个IP分片中，每个分片（最后一个分片除外）中的数据长度等于1480（1500 – 20[IP header]）：

IP分片的问题：IP分片有一个很大的问题，由于IP层本身没有超时重传机制，即使只丢失一片数据也要重新传整个数据报。也就是说，对于上面截图中的4个Frame，任何一个丢失了，另外3个都需要进行重传。

使用UDP和ICMP的时候很容易导致IP分片，因为UDP和ICMP是不考虑MTU和分片的，而是把这些工作都丢给了网络层（IP层）；但是，为了减少IP分片对TCP的影响，在TCP中提出了MSS来试图避免IP分片。

MSS

MSS就是TCP数据包每次能够传输的最大数据分段。

为了达到最佳的传输效能TCP协议在建立连接的时候通常要协商双方的MSS值，这个值TCP协议在实现的时候往往用MTU值代替（需要减去IP数据包首部的大小20Bytes和TCP数据段的首部20Bytes），所以往往MSS为1460。通讯双方会根据双方提供的MSS值得最小值确定为这次连接的最大MSS值。

回到本文开始的例子，在建立TCP连接的时候，客户端指定了MSS为800，服务端指定的MSS为1460。经过协商后，双方采用了较小的MSS，所以以后的数据包长度最到为800字节。TCP就是通过这种方式来避免IP分片的。

再看一个MSS的例子，通过Wireshark抓取了一段HTTP请求，通过GET方法请求jquery的一组数据包。

通过下面可以看到，当应用层有一个超过MSS的数据需要发送的时候，TCP会把应用层的数据分成多个TCP分段然后发送出去。每一个分段包都包含TCP首部，然后传递给网络层进一步增加IP首部。

区别

通过上面可以看到TCP分段和IP分片有下面的主要区别：

1. TCP分段发生在传输层，分段的依据是MSS；IP分片发生在网络层，分片的依据是MTU
2. TCP分段是在传输层完成，并在传输层进行重组；IP分片由网络层完成，也在网络层进行重组

再看Seq和Ack号

TCP传输的可靠性是通过Seq和Ack号来进行保证的，所以可以看出Seq和Ack号的重要性。

文章开始的实验中，另一个需要注意的地方就是Seq和Ack号的变化。

在前面TCP连接的相关文章中已经介绍了连接建立和终止时候Seq和Ack号的变化，可以总结得到下面公式：

确认包的Ack = 待确认包（特殊标志包）的Seq + 1

从Wireshark的截图中可以看到在数据传输中Seq和Ack号的变化。

对于数据包的确认，可以使用下面的方式进行计算：

确认包的Ack = 待确认数据包的Seq + 待确认数据包的数据长度（Len）

关于TCP半连接

在介绍TCP终止连接的时候，提到了由于TCP是全双工的，所以需要经过四次挥手才能关闭TCP连接。

TCP中有一个半连接的概念，就是TCP连接的一端在结束它的发送后，还能接收来自另一端数据。

还是回到文章开始的例子，服务端发出了终止TCP连接的请求[FIN, ACK]，客户端进行了确认，到此服务端到客户端方向的TCP连接就关闭了。

但是，随后客户端向服务端发送了一段长度为480字节的数据，然后才关闭客户端到服务端方向的TCP连接。

总结

本文主要介绍了TCP数据传输中的几个重要的概念。

• MSS（Maximum Segment Size）
• Seq号和Ack号
• TCP半连接

通过这篇文章，一定能很好的认识TCP分段和IP分片的区别，以及MSS和MTU的关系。