动手学习TCP：客户端状态变迁

上一篇文章中介绍了TCP连接的建立和终止。

通过实际操作了解到，在TCP协议工作过程中，客户端和服务端都会接收或者发送特定标志的TCP数据包，然后进入不同的状态。

也就是说，TCP协议就是一个包含多种状态转换的状态机，下面介绍一下TCP状态机。

TCP状态机

网络上的传输是没有连接的，包括TCP也是一样的。TCP所谓的"连接"，其实是在通讯的双方维护一个"连接状态"，让它看上去好像有连接一样。

所以，了解TCP状态机，以及TCP的状态变迁是非常重要的。

TCP 协议的操作可以使用一个具有 11 种状态的有限状态机来表示（看下图），图中的矩形表示状态，箭头表示状态之间的转换。

1. 客户端的状态变迁用红实线，服务器端的状态变迁用蓝实线

• 图中红实线表示客户端正常的状态变迁
• 图中蓝实线表示服务端正常的状态变迁

    2. 虚线用于不常见的序列，如复位、同时打开、同时关闭等等

根据上面的状态变迁图，可以看到在TCP状态机的全部11种状态中：

• 客户端特有的状态：SYN_SENT、FIN_WAIT_1、FIN_WAIT_2、CLOSING、TIME_WAIT 。
• 服务端特有的状态：LISTEN、SYN_RCVD、CLOSE_WAIT、LAST_ACK 。
• 共有的状态：CLOSED、ESTABLISHED 。

下面就主要来看看客户端的状态变迁。

客户端状态变迁

根据状态变迁图，客户端的正常状态变迁流程如下：

CLOSED -> SYN_SENT -> ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT -> CLOSED

具体的将状态跟TCP包关联起来就如下表所示，根据这张表，我们就可以构建客户端正常状态变迁的状态机了：

From State	To State	Recv Packet	Send Packet
CLOSED	SYN_SENT	-	[SYN]
SYN_SENT	ESTABLISHED	[SYN, ACK]	[ACK]
ESTABLISHED	FIN_WAIT_1	-	[FIN, ACK]
FIN_WAIT_1	FIN_WAIT_2	[ACK]	-
FIN_WAIT_2	TIME_WAIT	[FIN, ACK]	[ACK]
TIME_WAIT	CLOSED	-	-

客户端状态变迁实验

有了上面的客户端状态变迁表之后，我们就清楚客户端会接受或发送什么类型的包，然后进入什么特定的状态了。

下面就可以通过Pcap.Net来模拟一些这个状态变迁过程了。

代码实现

首先在代码中定义了一个枚举类型，列出了TCP状态机的所有11中状态。

public enum TCPStatus
{
    CLOSED,
    LISTENING,
    SYN_RECEIVED,
    SYN_SEND,
    ESTABLISHED,
    CLOSE_WAIT,
    LAST_ACK,
    FIN_WAIT_1,
    FIN_WAIT_2,
    TIME_WAIT,
    CLOSING,
    NULL,
}

主程序开始之前，会将TCP状态机的初始状态设置为"CLOSED"：

private static TCPStatus tcpStatus = TCPStatus.CLOSED;

主程序跟上一次TCP连接的实验类似，只是加入了TCP状态变迁的过程。

例如，当客户端发送过[SYN]数据包之后，根据上面总结的客户端TCP状态变迁表，将“tcpStatus”设置为“SYN_SEND”。

bool clientToSendFin = true;

communicator.SendPacket(Utils.BuildTcpPacket(endPointInfo, TcpControlBits.Synchronize, null));
tcpStatus = TCPStatus.SYN_SEND;
PacketHandler(communicator, endPointInfo, clientToSendFin);

if (clientToSendFin)
{
    Thread.Sleep(10000);
    communicator.SendPacket(Utils.BuildTcpPacket(endPointInfo, TcpControlBits.Fin | TcpControlBits.Acknowledgment));
    tcpStatus = TCPStatus.FIN_WAIT_1;
    PacketHandler(communicator, endPointInfo);
}

注意，代码中有一点特殊的就是 bool clientToSendFin = true 这个标志：

• 正常情况下客户端在完成请求之后，会发送[FIN]包来请求终止TCP连接
• 但是很多应用服务器为了提高TCP连接的利用效率，会在TCP连接长时间空闲的情况下，会主动向客户端发送[FIN]包。
  • 例如，我通过nodejs实现了一个http server进行测试，在TCP连接空闲3分钟之后，服务端会发送[FIN]终止连接

这次实验中的"PacketHandler"也跟上次有所不同，在TCP包的接收或发送的过程中，都加入了TCP状态变迁的逻辑。

结合这前面的状态变迁表，这段代码就非常容易理解了。

private static void PacketHandler(PacketCommunicator communicator, EndPointInfo endPointInfo, bool clientToSendFin = true)
{
    Packet packet = null;
    bool running = true;

    do
    {
        PacketCommunicatorReceiveResult result = communicator.ReceivePacket(out packet);

        switch (result)
        {
            case PacketCommunicatorReceiveResult.Timeout:
                // Timeout elapsed
                continue;
            case PacketCommunicatorReceiveResult.Ok:
                bool isRecvedPacket = (packet.Ethernet.IpV4.Destination.ToString() == endPointInfo.SourceIp) ? true : false;

                if (isRecvedPacket)
                {
                    switch (packet.Ethernet.IpV4.Tcp.ControlBits)
                    {
                        case (TcpControlBits.Synchronize | TcpControlBits.Acknowledgment):
                            if (tcpStatus == TCPStatus.SYN_SEND)
                            {
                                Utils.PacketInfoPrinter(packet);
                                Packet ack = Utils.BuildTcpResponsePacket(packet, TcpControlBits.Acknowledgment);
                                communicator.SendPacket(ack);
                                tcpStatus = TCPStatus.ESTABLISHED;
                            }
                            break;
                        case (TcpControlBits.Fin | TcpControlBits.Acknowledgment):
                            if (tcpStatus == TCPStatus.FIN_WAIT_2)
                            {
                                Utils.PacketInfoPrinter(packet);
                                Packet ack = Utils.BuildTcpResponsePacket(packet, TcpControlBits.Acknowledgment);
                                communicator.SendPacket(ack);
                                tcpStatus = TCPStatus.TIME_WAIT;
                            }
                            else if (tcpStatus == TCPStatus.ESTABLISHED)
                            {

                                Utils.PacketInfoPrinter(packet);
                                Packet ack = Utils.BuildTcpResponsePacket(packet, TcpControlBits.Acknowledgment);
                                communicator.SendPacket(ack);
                                tcpStatus = TCPStatus.CLOSE_WAIT;
                            }
                            break;
                        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;
                            }
                            break;
                        default:
                            Utils.PacketInfoPrinter(packet);
                            break;
                    }
                }
                else
                {
                    switch (packet.Ethernet.IpV4.Tcp.ControlBits)
                    {
                        case TcpControlBits.Synchronize:
                            if (tcpStatus == TCPStatus.SYN_SEND)
                            {
                                Utils.PacketInfoPrinter(packet, tcpStatus);
                            }
                            break;
                        case TcpControlBits.Acknowledgment:
                            if (tcpStatus == TCPStatus.ESTABLISHED)
                            {
                                Utils.PacketInfoPrinter(packet, tcpStatus);

                                if (clientToSendFin)
                                    running = false;
                            }
                            else if (tcpStatus == TCPStatus.TIME_WAIT)
                            {
                                Utils.PacketInfoPrinter(packet, tcpStatus);
                                running = false;
                            }
                            else if (tcpStatus == TCPStatus.CLOSE_WAIT)
                            {
                                Utils.PacketInfoPrinter(packet, tcpStatus);
                                
                                Packet fin = Utils.BuildTcpPacket(endPointInfo, TcpControlBits.Fin | TcpControlBits.Acknowledgment);
                                communicator.SendPacket(fin);
                                tcpStatus = TCPStatus.LAST_ACK;
                            }
                            break;
                        case (TcpControlBits.Fin | TcpControlBits.Acknowledgment):
                            if (tcpStatus == TCPStatus.FIN_WAIT_1)
                            {
                                Utils.PacketInfoPrinter(packet, tcpStatus);
                            }
                            else if (tcpStatus == TCPStatus.LAST_ACK)
                            {
                                Utils.PacketInfoPrinter(packet, tcpStatus);
                            }
                            break;
                        default:
                            Utils.PacketInfoPrinter(packet);
                            break;
                    }
                }
                break;
            default:
                throw new InvalidOperationException("The result " + result + " should never be reached here");
        }
    } while (running);

}

运行效果

下面，将"clientToSendFin"设置为"true"，看看正常情况下客户端的状态变迁。

打开Wireshark监听"VirtualBox Host-Only Network"网卡，并设置filter为"port 8081"。

运行程序，通过console可以看到客户端和服务端之间的包，以及客户端的状态变迁。

下面是Wireshark抓到的包，这七个数据包就表示了TCP连接的建立和终止过程。

总结

本文介绍了TCP状态变迁图，根据客户端的状态变迁过程，得到了客户端的状态变迁表。

然后使用Pcap.Net，基于客户端的状态变迁表，构建了一个简单的客户端，展示了客户端状态变迁的过程。

通过这个实验，一定能够对TCP客户端的状态变迁有个深刻的印象。