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。
- 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();
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。