本节我们通过一个玩具 TCP 服务应用，来观察 TCP 协议的通信过程，进而体会它的关键知识点：
实验应用
实验应用是一个最简化的玩具应用，由服务端和客户端组成：
- 服务端 tcp-upper-server ，默认监听 9999 端口，负责将客户端连接发过来的数据转成大写后发回去；
- 客户端 tcp-upper-client ，负责将用户输入的数据发往服务端，并将服务端发回的大写数据输出到屏幕上；
实验环境
我们需要准备一台服务器和一台客户端主机，之前介绍 traceroute 的演示环境，就是一个不错的选择：
实验环境同样由 Docker 提供，只需执行这个 docker 命令即可一键启动：
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docker run --name tcp-upper-lab --rm -it --privileged --cap-add=NET_ADMIN --cap-add=SYS_ADMIN -v /data -v /tmp:/data2 -h netbox fasionchan/netbox:0.8 bash /script/tcp-upper-lab.sh
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实验环境启动后，我们将看到 4 个窗口。其中，有两个窗口属于主机 ant ，另外两个窗口属于主机 apple 。
如何在不同窗口间进行切换呢？ 我们来复习一下 tmux 窗口切换操作：
- 按下 tmux 功能键
Ctrl-B ；
- 再按下
Q ，这时每个窗口会出现一个数字；
- 按下窗口上的数字，即可切到对应的窗口；
服务端
我们在主机 apple 上执行 tcp-upper-server 程序启动服务端，它默认监听 9999 端口：
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root@apple [ ~ ] ➜ tcp-upper-server
listening at port: 0.0.0.0:9999, waiting for connections...
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用 ss 命令查看系统套接字，我们可以看到 tcp-upper-server 创建的监听套接字：
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root@apple [ ~ ] ➜ ss -ntl
State Recv-Q Send-Q Local Address:Port Peer Address:Port Process
LISTEN 0 100 0.0.0.0:9999 0.0.0.0:*
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ss 命令 -t 选项表示显示 TCP 套接字，-l 选项表示只显示监听套接字。
现在，我们在服务端执行 tcpdump 命令，监听网络流量：
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root@apple [ ~ ] ➜ tcpdump -Xni any port 9999
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on any, link-type LINUX_SLL (Linux cooked v1), capture size 262144 bytes
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注意到，我们只关心 9999 端口上的网络流量，指定 port 9999 表达式过滤出传输层端口为 9999 的流量。
客户端
准备好服务端后，我们在 ant 上执行 tcp-uppper-client 客户端程序来连接它：
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root@ant [ ~ ] ➜ tcp-upper-client -i 10.0.2.2
>
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-i 指定服务端的 IP 地址，即主机 apple 的 IP 地址；服务端端口号未指定，默认连接 9999 端口。
客户端程序启动后，我们可以在服务端程序中看到连接提示：
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10.0.1.2:47762 connected
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这表明，服务端收到一个从 ant 发起的新连接：对端 IP 为 10.0.1.2 ，这是 ant 的 IP ；而端口号 47762 是 ant 系统协议栈随机分配的。
三次握手
与此同时，主机 apple 上的 tcpdump 命令嗅探到了三次握手建立 TCP 连接的通信过程：
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18:49:48.101543 IP 10.0.1.2.47762 > 10.0.2.2.9999: Flags [S], seq 1386804287, win 29200, options [mss 1460,sackOK,TS val 4236541223 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
0x0000: 4500 003c e6af 4000 3d06 4009 0a00 0102 E..<..@.=.@.....
0x0010: 0a00 0202 ba92 270f 52a8 f43f 0000 0000 ......'.R..?....
0x0020: a002 7210 1732 0000 0204 05b4 0402 080a ..r..2..........
0x0030: fc84 7d27 0000 0000 0103 0307 ..}'........
18:49:48.101566 IP 10.0.2.2.9999 > 10.0.1.2.47762: Flags [S.], seq 401184951, ack 1386804288, win 28960, options [mss 1460,sackOK,TS val 398188058 ecr 4236541223,nop,wscale 7], length 0
0x0000: 4500 003c 0000 4000 4006 23b9 0a00 0202 E..<..@.@.#.....
0x0010: 0a00 0102 270f ba92 17e9 98b7 52a8 f440 ....'.......R..@
0x0020: a012 7120 1732 0000 0204 05b4 0402 080a ..q..2..........
0x0030: 17bb de1a fc84 7d27 0103 0307 ......}'....
18:49:48.101622 IP 10.0.1.2.47762 > 10.0.2.2.9999: Flags [.], ack 1, win 229, options [nop,nop,TS val 4236541223 ecr 398188058], length 0
0x0000: 4500 0034 e6b0 4000 3d06 4010 0a00 0102 E..4..@.=.@.....
0x0010: 0a00 0202 ba92 270f 52a8 f440 17e9 98b8 ......'.R..@....
0x0020: 8010 00e5 172a 0000 0101 080a fc84 7d27 .....*........}'
0x0030: 17bb de1a ....
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- 客户端先发一个 SYN 分组；
- 服务端收到 SYN 分组，回复 SYN/ACK 分组；
- 客户端回复 ACK 分组，至此连接完全建立；
连接套接字
一个 TCP 连接可以通过由双方的地址端口对唯一确定，合起来称为 TCP 连接的 四元组 。
- 自己的地址、端口，通常称为 本端（ local ）；
- 对方的地址、端口，通常称为 对端（ peer ）；
操作系统通常将 TCP 连接抽象成 套接字（ socket ）对象，并通过它来操作 TCP 连接。除了唯一确定 TCP 连接的四元组，套接字还包含接收缓冲区、发送缓冲区以及一些状态参数（通告窗口、拥塞窗口以及各种定时器）。
TCP 连接建立后，我们可以通过 ss 命令查看它的套接字，以 ant 为例：
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root@ant [ ~ ] ➜ ss -nt
State Recv-Q Send-Q Local Address:Port Peer Address:Port Process
ESTAB 0 0 10.0.1.2:47762 10.0.2.2:9999
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考察唯一确定这个 TCP 连接的四元组，对 ant 而言分别如下：
| 本端地址 |
本端端口 |
对端地址 |
对端端口 |
| 10.0.1.2 |
47762 |
10.0.2.2 |
9999 |
同样，我们也可以在 apple 上观察到代表这个连接的套接字，本端和对端地址端口刚好是反过来的：
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root@apple [ ~ ] ➜ ss -nt
State Recv-Q Send-Q Local Address:Port Peer Address:Port Process
ESTAB 0 0 10.0.2.2:9999 10.0.1.2:47762
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数据传输
客户端启动后，显示 > 输入提示符，等待用户输入数据。用户输入数据后，按下回车，数据就会被发往服务端。现在我们尝试发送一些数据：
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root@ant [ ~ ] ➜ tcp-upper-client -i 10.0.2.2
> abc
ABC
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我们输入 abc 后按下回车，客户端将我们输入的数据发到服务端；服务端将数据转化成大写后，返回给客户端；客户端进而将数据打印在屏幕上。
在这个过程中，我们可以从 tcpdump 中观察到通信过程：
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18:52:19.613971 IP 10.0.1.2.47762 > 10.0.2.2.9999: Flags [P.], seq 1:5, ack 1, win 229, options [nop,nop,TS val 4236692912 ecr 398188058], length 4
0x0000: 4500 0038 e6b1 4000 3d06 400b 0a00 0102 E..8..@.=.@.....
0x0010: 0a00 0202 ba92 270f 52a8 f440 17e9 98b8 ......'.R..@....
0x0020: 8018 00e5 172e 0000 0101 080a fc86 cdb0 ................
0x0030: 17bb de1a 6162 630a ....abc.
18:52:19.613988 IP 10.0.2.2.9999 > 10.0.1.2.47762: Flags [.], ack 5, win 227, options [nop,nop,TS val 398339747 ecr 4236692912], length 0
0x0000: 4500 0034 8a28 4000 4006 9998 0a00 0202 E..4.(@.@.......
0x0010: 0a00 0102 270f ba92 17e9 98b8 52a8 f444 ....'.......R..D
0x0020: 8010 00e3 172a 0000 0101 080a 17be 2ea3 .....*..........
0x0030: fc86 cdb0 ....
18:52:19.614029 IP 10.0.2.2.9999 > 10.0.1.2.47762: Flags [P.], seq 1:5, ack 5, win 227, options [nop,nop,TS val 398339747 ecr 4236692912], length 4
0x0000: 4500 0038 8a29 4000 4006 9993 0a00 0202 E..8.)@.@.......
0x0010: 0a00 0102 270f ba92 17e9 98b8 52a8 f444 ....'.......R..D
0x0020: 8018 00e3 172e 0000 0101 080a 17be 2ea3 ................
0x0030: fc86 cdb0 4142 430a ....ABC.
18:52:19.614100 IP 10.0.1.2.47762 > 10.0.2.2.9999: Flags [.], ack 5, win 229, options [nop,nop,TS val 4236692912 ecr 398339747], length 0
0x0000: 4500 0034 e6b2 4000 3d06 400e 0a00 0102 E..4..@.=.@.....
0x0010: 0a00 0202 ba92 270f 52a8 f444 17e9 98bc ......'.R..D....
0x0020: 8010 00e5 172a 0000 0101 080a fc86 cdb0 .....*..........
0x0030: 17be 2ea3 ....
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- 第一个分组由客户端发给服务端，搭载着用户输入的 4 字节数据（回车产生换行符）；
- 第二个分组为服务端回复的 ACK 确认；
- 第三个分组由服务端发给客户端，搭载着服务端转换后的数据；
- 第四个分组为客户端回复的 ACK 确认；
可以再做一些数据交互，观察 TCP 流量，体会它的通信过程：
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> hello world!
HELLO WORLD!
> fasionchan.com
FASIONCHAN.COM
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四次挥手
那么，怎样才能让客户端程序断开跟服务端的连接，并退出呢？
按 shell 命令一般惯例，只要还有数据输入，程序就会不断运行。换句话讲，关闭标准输入即可通知程序主动退出。
我们可以按下 ctrl-d ，关闭客户端程序的标准输入，以此告知它我们停止输入数据了。客户端程序检测到标准输入关闭后，就会停止数据处理循环，关闭 TCP 连接并退出。
客户端一关闭 TCP 连接，服务端就会输出提示：
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10.0.1.2:47762 disconnected
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这时，我们在客户端主机 ant 上可以看到 TCP 连接进入了 TIME-WAIT 状态：
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root@ant [ ~ ] ➜ ss -nat
State Recv-Q Send-Q Local Address:Port Peer Address:Port Process
TIME-WAIT 0 0 10.0.1.2:47762 10.0.2.2:9999
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还记得 TCP 连接的状态变迁图吗？主动关闭的一方会进入 TIME-WAIT 状态。
从服务端主机 apple 上的 tcpdump 命令，可以观察到 TCP 关闭连接的四次挥手过程：
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18:52:52.510869 IP 10.0.1.2.47762 > 10.0.2.2.9999: Flags [F.], seq 33, ack 33, win 229, options [nop,nop,TS val 4236725844 ecr 398368775], length 0
0x0000: 4500 0034 e6b7 4000 3d06 4009 0a00 0102 E..4..@.=.@.....
0x0010: 0a00 0202 ba92 270f 52a8 f460 17e9 98d8 ......'.R..`....
0x0020: 8011 00e5 172a 0000 0101 080a fc87 4e54 .....*........NT
0x0030: 17be a007 ....
18:52:52.511005 IP 10.0.2.2.9999 > 10.0.1.2.47762: Flags [F.], seq 33, ack 34, win 227, options [nop,nop,TS val 398372679 ecr 4236725844], length 0
0x0000: 4500 0034 8a2c 4000 4006 9994 0a00 0202 E..4.,@.@.......
0x0010: 0a00 0102 270f ba92 17e9 98d8 52a8 f461 ....'.......R..a
0x0020: 8011 00e3 172a 0000 0101 080a 17be af47 .....*.........G
0x0030: fc87 4e54 ..NT
18:52:52.511074 IP 10.0.1.2.47762 > 10.0.2.2.9999: Flags [.], ack 34, win 229, options [nop,nop,TS val 4236725844 ecr 398372679], length 0
0x0000: 4500 0034 e6b8 4000 3d06 4008 0a00 0102 E..4..@.=.@.....
0x0010: 0a00 0202 ba92 270f 52a8 f461 17e9 98d9 ......'.R..a....
0x0020: 8010 00e5 172a 0000 0101 080a fc87 4e54 .....*........NT
0x0030: 17be af47 ...G
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- 客户端发 FIN 包告诉服务端数据已发完，连接关闭；
- 服务端发 ACK 包确认连接关闭，服务端同时也发 FIN 包关闭连接，FIN 和 ACK 被合在一个分组传输；
- 客户端发 ACK 包确认连接关闭；
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