TCP 协议

文章来自于：https://github.com/xuanhao44/net-lab-2023

1 TCP 协议概览

TCP 协议的内容和 TCP 报文的结构都比较简单。所以不多赘述。这次的重点是客户端和服务器建立连接和释放连接的过程。

2 结合实验框架的实现

这次实验要实现的 TCP 协议的部分只有 tcp_in()（服务器端 TCP 收包）。并且框架给出的提示的部分足够完成实验。但是具体的建立连接和释放的过程，可以去参考王道考研上总结的部分。

比较重要的是服务器的状态。

建立连接：(CLOSE 省略)，LISTEN(初始创建的状态)，SYN-REVD，ESTABLISHED

释放连接：(先前状态为 ESTABLISHED)，(CLOSE-WAIT 被省略)，LAST-ACK，(CLOSE 省略)

2.1 流程

1. 大小检查。检查 buf 长度是否小于 TCP 头部。如果是，则丢弃。
2. 检查 checksum 字段。如果 checksum 出错，则丢弃。
3. 从 TCP 头部字段中获取以下参数：source port, destination port, sequence number, acknowledge number, flags，以及 window_size 等需要的参数，最后注意大小端转换。
4. 调用 map_get() 函数，根据 destination port 查找对应的 handler 函数。
5. 调用 new_tcp_key() 函数，根据通信五元组中的：源 IP 地址、目标 IP 地址、目标端口号，确定一个 TCP 链接 key。
6. 调用 map_get() 函数，根据 key 查找一个 tcp_connect_t* connect。如果没有找到，则调用 map_set 建立新的链接，并设置为 CONNECT_LISTEN 状态，然后调用 mag_get() 获取到该链接。

7. （状态 TCP_LISTEN）：如果为 TCP_LISTEN 状态，则需要完成如下功能：

   1. 如果收到的 flag 带有 rst，则 close_tcp 关闭 TCP 链接；
   2. 如果收到的 flag 不是 syn，则 reset_tcp 复位通知，因为收到的第一个包必须是 syn；
   3. 调用 init_tcp_connect_rcvd() 函数，初始化 connect，将状态设为 TCP_SYN_RCVD；

   4. 填充 connect 字段，包括：

      • local_port, remote_port, ip, unack_seq（设为随机值）；
      • 由于是对 syn 的 ack 应答包，next_seq 与 unack_seq 一致；
      • ack 设为对方的 sequence number+1；
      • 设置 remote_win 为对方的窗口大小，注意大小端转换；
   5. 调用 buf_init() 初始化 txbuf；
   6. 调用 tcp_send() 将 txbuf 发送出去，也就是回复一个 tcp_flags_ack_syn（SYN + ACK）报文；
   7. 处理结束，返回。
8. （状态 TCP_LISTEN）：检查接收到的 sequence number，如果与 ack 序号不一致，则 reset_tcp 复位通知。
9. 检查 flags 是否有 rst 标志，如果有，则 close_tcp 连接重置。
10. 序号相同时的处理，调用 buf_remove_header() 去除头部后剩下的都是数据。
11. （状态 TCP_SYN_RCVD）：在 RCVD 状态，如果收到的包没有 ack flag，则不做任何处理。

12. （状态 TCP_SYN_RCVD）：如果是 ack 包，需要完成如下功能：

    1. 将 unack_seq+1；
    2. 将状态转成 ESTABLISHED；
    3. 调用回调函数，完成三次握手，进入连接状态 TCP_CONN_CONNECTED。
13. （状态 TCP_ESTABLISHED）：如果收到的包没有 ack 且没有 fin 这两个标志，则不做任何处理。

14. （状态 TCP_ESTABLISHED）：处理 ACK 的值。

    • 如果是 ack 包，
    • 且 unack_seq 小于 sequence number（说明有部分数据被对端接收确认了，否则可能是之前重发的 ack，可以不处理），
    • 且 next_seq 大于 sequence number，
    • 则调用 buf_remove_header() 函数，去掉被对端接收确认的部分数据，并更新 unack_seq 值。
15. （状态 TCP_ESTABLISHED）：接收数据，调用 tcp_read_from_buf 函数，把 buf 放入 rx_buf 中。

16. （状态 TCP_ESTABLISHED）：根据当前的标志位进一步处理：

    1. 首先调用 buf_init() 初始化 txbuf；
    2. 判断是否收到关闭请求（FIN），如果是，将状态改为 TCP_LAST_ACK，ack + 1，再发送一个 ACK + FIN 包，并退出，这样就无需进入 CLOSE_WAIT，直接等待对方的 ACK；
    3. 如果不是 FIN，则看看是否有数据，如果有，则发 ACK 相应，并调用 handler 回调函数进行处理；
    4. 调用 tcp_write_to_buf() 函数，看看是否有数据需要发送，如果有，同时发数据和 ACK；
    5. 没有收到数据，可能对方只发一个 ACK，可以不响应。
17. （状态 TCP_FIN_WAIT_1）：如果收到 FIN && ACK，则 close_tcp 直接关闭 TCP；如果只收到 ACK，则将状态转为 TCP_FIN_WAIT_2。

18. （状态 TCP_FIN_WAIT_1）：如果不是 FIN，则不做处理；如果是，则：

    1. 将 ACK + 1；
    2. 调用 buf_init() 初始化 txbuf；
    3. 调用 tcp_send() 发送一个 ACK 数据包；
    4. 再 close_tcp 关闭 TCP。

19. （状态 TCP_LAST_ACK）：如果不是 ACK，则不做处理；如果是，则：

    1. 调用 handler 函数，进入 TCP_CONN_CLOSED 状态；
    2. 再 close_tcp 关闭 TCP。

2.2 需要注意的点

1. tcp_checksum() 函数写的很差，建议改成自己之前写的 UDP 的函数，但是注意把 UDP 替换成 TCP。（我就是没替换完全，不过还好通过 Debug 发现了这个问题）
2. 还是要把 ip.c 代码中 TCP 的判断加上。（同样通过 Debug 发现了该问题）
3. 记得开启 Wireshark 的 TCP checksum 验证。

3 实验结果和分析

命令行和测试工具的输入输出：

Wireshark 捕获到的报文数据：（Wireshark 的 tcp.pcap）

可以看到，通信的双方是：

• 192.168.56.1:64505（测试工具，作为客户端）
• 192.168.56.45:61000（框架，作为服务器端）

过程：

• 第 43 组，测试工具向框架发送了 SYN = 1, seq = x = 0。
• 第 46 组，框架向测试工具发送了 SYN = 1, ACK = 1, seq = y = 0, ack = x + 1 = 1。
• 第 47 组，测试工具向框架发送了 ACK = 1, seq = x + 1 = 1, ack = y + 1 = 1。
• 第 48 - 51 组，正常连接。
• 第 56 组，由于我按下了"断开连接"，故测试工具向框架直接发送了 FIN = 1, ACK = 1, seq = 4, ack = 4。
• 第 57 组，框架向测试工具发送了 FIN = 1, ACK = 1, seq = 1, ack = 5。
• 第 58 组，测试工具向框架发送了 ACK = 1, seq = 5, ack = 5。

4 实验中遇到的问题及解决方法

在前面的 2.2 已经提到过了。

5 意见和建议

1. 纠正一个小 bug：TCP 头部的 checksum16 被拼写成了 chunksum16。
2. tcp_in() 的注释有一点小问题。不只是服务器端，也包括客户机端。不过本次实验中，客户端为 TCP 测试工具，而服务器端为本框架。故而下面代码中关于客户端的状态的部分可删可不删。