TCP的报文段结构与TCP编程的小工具

本文主要是介绍TCP的报文段结构与TCP编程的小工具，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

TCP协议的报文由两个主要部分组成：TCP首部和数据部分。TCP首部是控制TCP连接和传输的重要部分，而数据部分则包含了实际要传输的应用层数据。

TCP报文段结构

一个完整的TCP报文段包括TCP首部和数据部分。

TCP首部结构

TCP首部的标准长度是 20 字节（不含可选字段），但由于包含可选字段，首部长度可能会有所增加。标准的TCP首部包含以下字段：

源端口号（Source Port，16位）:
- 发送方的端口号，用于标识通信的源端。
目的端口号（Destination Port，16位）:
- 接收方的端口号，用于标识通信的目的端。
序列号（Sequence Number，32位）:
- 标识这个报文段中的数据在整个数据流中的位置。对于建立连接的第一个报文段，序列号是一个初始序列号（ISN），之后每发送一个字节，序列号就递增。
确认号（Acknowledgment Number，32位）:
- 用于确认接收的数据。确认号是期望接收的下一个字节的序列号。只有当ACK标志设置时，确认号字段才有效。
数据偏移（Data Offset，4位）:
- 指定TCP首部的长度，以32位字为单位。最小值为5（表示20字节的基本首部），最大值为15（表示60字节的首部长度）。
保留位（Reserved，6位）:
- 保留为将来使用，通常设置为0。
标志位（Flags，6位）:
- 由六个标志位组成，分别是：
  - URG（紧急指针有效，Urgent Pointer field significant）：表示紧急数据。
  - ACK（确认号有效，Acknowledgment field significant）：表示确认号字段有效。
  - PSH（推送数据，Push Function）：提示接收方应尽快将数据推送到应用层。
  - RST（重置连接，Reset the connection）：表示连接出现问题，需要重新建立连接。
  - SYN（同步序列号，Synchronize sequence numbers）：用于建立连接时同步序列号。
  - FIN（结束连接，No more data from sender）：表示发送方已完成数据传输，准备断开连接。
窗口大小（Window Size，16位）:
- 表示接收方的接收窗口大小，用于流量控制。它告诉发送方在接收确认之前最多还能发送多少字节的数据。
校验和（Checksum，16位）:
- 覆盖整个TCP报文段（包括首部和数据）的校验和，用于检测数据传输中的错误。
紧急指针（Urgent Pointer，16位）:
- 仅当URG标志置位时有效，指出紧急数据的结束位置。
选项（Options，可变长）:
- 用于在TCP头中添加扩展功能，如最大报文段长度（MSS）、时间戳等。选项字段的长度必须是32位的倍数，不足时用填充（Padding）字段补齐。

填充（Padding）:

填充字段用于确保TCP首部的长度是32位的倍数。

0                   1                   2                   3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|          Source Port          |       Destination Port         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                        Sequence Number                        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Acknowledgment Number                      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  Data | Reser- |     Flags     |                               |
| Offset| ved   |   (6 bits)     |           Window Size         |
| (4bit)| (6bit)|                |                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|         Checksum              |       Urgent Pointer           |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|       Options (if any)       |    Padding                      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                        Data (variable)                         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

数据部分（Data）

TCP的数据部分长度可变，取决于MTU（最大传输单元）和TCP首部的长度。典型的TCP数据段可能会受到路径MTU的影响，一般来说数据部分的长度不会超过1500字节减去IP和TCP首部的长度。

TCP首部：控制传输和连接的各种字段。
数据部分：实际传输的应用层数据。

TCP编程粘包问题产生的原因

发送端发送数据速度过快：在发送端，当数据量较小时，操作系统可能将多次发送的消息合并成一个TCP数据包进行传输。
接收端读取不及时：接收端可能因为读取速度跟不上数据的到达速度，从而导致接收到的缓冲区中包含多个消息。

2. 粘包问题的解决方法

2.1 定长消息

方法描述: 规定每个消息的长度是固定的，例如每个消息长度为100字节。如果发送的数据不足100字节，则使用填充字符（如空格）补齐。
优点: 简单易行，接收方只需要按照固定长度读取数据。
缺点: 如果消息长度不固定或者长度变化较大，会导致带宽的浪费，或者需要对消息进行复杂的分割处理。

2.2 添加消息分隔符

方法描述: 在每个消息的末尾添加特殊的分隔符（例如换行符\n、空格、特定字符串等），接收方在接收到数据后通过判断分隔符来拆分消息。
优点: 灵活，不需要固定消息长度。
缺点: 如果消息内容中可能包含分隔符，需要进行转义或避免使用该分隔符。

2.3 消息头标识长度

方法描述: 在每个消息前添加一个定长的消息头（通常是4字节或8字节），该消息头指明后续数据的长度。接收方先读取消息头，再根据消息头中指定的长度读取后续的完整消息。
优点: 可以处理可变长度的消息，是一种较为常用的解决方案。
缺点: 需要增加额外的消息头处理逻辑。

例子：
- 假设消息头长度为4字节，那么在发送数据时：
  - 先将消息长度（例如123字节）编码为4字节的整数值并发送。
  - 接着发送实际的消息数据。
- 接收端：
  - 先接收4字节的消息头，并解码出消息长度。
  - 然后根据消息长度接收实际的消息内容。

netstat

netstat（网络统计）是一个用于显示网络连接、路由表、接口统计、伪连接等网络相关信息的命令行工具。它适用于多种操作系统，包括Windows、Linux和macOS。

1. 查看当前网络连接

netstat

2. 查看所有连接及监听端口

netstat -a

3. 查看TCP连接

netstat -at

4. 查看UDP连接

netstat -au

5. 查看程序相关的连接和监听

netstat -p

6. 显示网络接口统计

netstat -i

7. 显示路由表

netstat -r

8. 显示所有信息，并且以数字形式显示地址和端口

netstat -n

9. 定期刷新显示

netstat -c

Wireshark 在 Linux 上的安装和使用

1. 安装 Wireshark

使用包管理器:
- Debian/Ubuntu:
  - 打开终端，运行命令 sudo apt update 更新软件包列表。
  - 安装 Wireshark：sudo apt install wireshark
- 使用 Wireshark
- 启动 Wireshark:
  - 在终端中运行 wireshark 命令启动 Wireshark GUI，或者通过系统菜单找到并启动它。
- 捕获数据包:
  - 在 Wireshark 主界面，选择要监控的网络接口（例如 eth0、wlan0）。
  - 点击“Start”按钮开始数据包捕获。
- 停止捕获:
  - 要停止数据包捕获，点击工具栏中的“Stop”按钮。
- 分析数据包:
  - 捕获的数据包会显示在 Wireshark 窗口中。
  - 可以使用过滤器来查找特定的数据包。过滤器可以是协议、源地址、目标地址等。
    - 例如，使用 http 过滤器查看 HTTP 数据包，或使用 ip.addr == 192.168.1.1 过滤器查看特定 IP 地址的数据包。
  - 点击数据包查看详细信息，包括协议层次结构和详细的字段信息。
- 保存和加载捕获文件:
  - 可以将捕获的数据保存为 .pcap 文件，点击“File” > “Save As” 并选择保存位置。
  - 加载保存的捕获文件，可以通过点击“File” > “Open” 选择之前保存的 .pcap 文件。