动手学习TCP:服务端状态变迁
上一篇文章介绍了TCP状态机,并且通过实验了解了TCP客户端正常的状态变迁过程。
那么,本篇文章就一起看看TCP服务端的正常状态变迁过程
服务端状态变迁
根据上一篇文章中的TCP状态变迁图,可以得到服务器的正常状态变迁流程如下:
CLOSED -> LISTEN -> SYN_RECV -> ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT -> LAST_ACK -> CLOSED
具体的将状态跟TCP包关联起来就如下表示:
From State |
To State |
Recv Packet |
Send Packet |
CLOSED |
LISTEN |
- |
- |
LISTEN |
SYN_RCVD |
[SYN] |
[SYN, ACK] |
SYN_RCVD |
ESTABLISHED |
[ACK] |
- |
ESTABLISHED |
CLOSE_WAIT |
[FIN, ACK] |
[ACK] |
CLOSE_WAIT |
LAST_ACK |
- |
[FIN, ACK] |
LAST_ACK |
CLOSED |
[ACK] |
- |
服务端状态变迁实验
下面就结合上面分析出来的服务端状态变迁表,利用Pcap.Net来模拟服务端正常的状态变迁过程。
代码实现
跟前面几次正好相反,这次我们将在宿主机运行Pcap.Net实现的服务端,然后在虚拟机运行一个客户端。
对于服务端,主程序中设置了源和目的端的连接信息,这次宿主机中的服务端将监听“3333”端口。
然后,程序中设置了服务端TCP初始状态为"LISTENING",然后就直接运行监听函数了。
// Open the output device using (PacketCommunicator communicator = selectedDevice.Open(System.Int32.MaxValue, // name of the device PacketDeviceOpenAttributes.Promiscuous, // promiscuous mode 1)) // read timeout { EndPointInfo endPointInfo = new EndPointInfo(); endPointInfo.SourceMac = "08:00:27:00:C0:D5"; endPointInfo.DestinationMac = ""; endPointInfo.SourceIp = "192.168.56.101"; endPointInfo.DestinationIp = ""; endPointInfo.SourcePort = 3333; endPointInfo.DestinationPort = 0; using (BerkeleyPacketFilter filter = communicator.CreateFilter("tcp port " + endPointInfo.SourcePort)) { // Set the filter communicator.SetFilter(filter); } tcpStatus = TCPStatus.LISTENING; PacketHandler(communicator, endPointInfo); }
这次的监听函数"PacketHandler"中的逻辑,跟上一次客户端的例子还是有很大差别的。
首先是期待接收和实际发送的TCP包类型有很大的差别,其次就是状态之间的变迁是完全不同的。但是,代码的逻辑依然是根据上面的服务端状态变迁表。
private static void PacketHandler(PacketCommunicator communicator, EndPointInfo endPointInfo) { 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: if (tcpStatus == TCPStatus.LISTENING) { endPointInfo.DestinationMac = packet.Ethernet.Source.ToString(); endPointInfo.DestinationIp = packet.Ethernet.IpV4.Source.ToString(); endPointInfo.DestinationPort = packet.Ethernet.IpV4.Tcp.SourcePort; Utils.PacketInfoPrinter(packet); Packet synAck = Utils.BuildTcpResponsePacket(packet, TcpControlBits.Synchronize | TcpControlBits.Acknowledgment); communicator.SendPacket(synAck); tcpStatus = TCPStatus.SYN_RECEIVED; } break; case TcpControlBits.Acknowledgment: if (tcpStatus == TCPStatus.SYN_RECEIVED) { tcpStatus = TCPStatus.ESTABLISHED; Utils.PacketInfoPrinter(packet, tcpStatus); } else if (tcpStatus == TCPStatus.LAST_ACK) { tcpStatus = TCPStatus.CLOSED; Utils.PacketInfoPrinter(packet, tcpStatus); tcpStatus = TCPStatus.LISTENING; } else if (tcpStatus == TCPStatus.FIN_WAIT_1) { tcpStatus = TCPStatus.FIN_WAIT_2; Utils.PacketInfoPrinter(packet); } 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; default: Utils.PacketInfoPrinter(packet); break; } } else { switch (packet.Ethernet.IpV4.Tcp.ControlBits) { case (TcpControlBits.Synchronize | TcpControlBits.Acknowledgment): if (tcpStatus == TCPStatus.SYN_RECEIVED) { Utils.PacketInfoPrinter(packet, tcpStatus); } 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; case TcpControlBits.Acknowledgment: if (tcpStatus == TCPStatus.TIME_WAIT) { Utils.PacketInfoPrinter(packet, tcpStatus); } 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; default: Utils.PacketInfoPrinter(packet); break; } } break; default: throw new InvalidOperationException("The result " + result + " should never be reached here"); } } while (running); }
对于客户端,通过Python实现了一个简单的Socket程序来模拟客户端行为:
from socket import * import time HOST = "192.168.56.101" PORT = 3333 BUFSIZ = 1024 ADDR = (HOST, PORT) client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM) client.connect(ADDR) time.sleep(5) client.close()
运行效果
这次,宿主机上运行的是服务端,虚拟机运行的是客户端,打开Wireshark监听"VirtualBox Host-Only Network"网卡,并设置filter为"port 3333"。
运行服务端程序,服务端将处于监听状态。这是在虚拟机中运行"client.py"。这时,通过服务端console可以看到客户端和服务端之间的包,以及服务端的状态变迁。
Wireshark依然显示的是TCP连接建立和终止的过程。
netstat命令
netstat是控制台命令,是一个监控TCP/IP网络的非常有用的工具,它可以显示路由表、实际的网络连接以及每一个网络接口设备的状态信息。netstat用于显示与IP、TCP、UDP和ICMP协议相关的统计数据,一般用于检验本机各端口的网络连接情况。
实验中的宿主机系统是Win7,下面看看通过 netatat /? 获得的帮助信息:
netstat命令失效?
虽然说上面的程序可以打印出服务端的状态变迁过程,但是这次让我们通过netstat命令查看一下。
为了方便查看,将"client.py"中的"time.sleep(5)"改为"time.sleep(300)",使客户端跟服务器之间的连接保持300秒。客户端的端口号为"1090"。
这时,分别在服务端和客户端cmd窗口中执行 netstat -anp TCP | findstr "192.168.56" 命令,查看包含"192.168.56"字符串的TCP连接:
服务端:
客户端:
为什么服务端看不到TCP连接?就像我们第一篇介绍的那样,Pcap.Net是不经过操作系统协议栈的,所以这也就解释了为什么"netstat"命令发现不了服务端的TCP连接。
等300秒结束后,客户端会发送终止连接请求。当连接终止后,可以看大客户端的TCP连接状态变成了"TIME_WAIT"。
客户端:
总结
本文中根据TCP状态变迁图,得到了服务端的状态变迁表。
然后使用Pcap.Net,基于服务端的状态变迁表,构建了一个简单的服务端,展示了服务端状态变迁的过程。
文中还简单的介绍了"netstat"命令,通过这个命令可以查看TCP连接的状态,结合这个命令,可以更好的了解TCP状态。