TCP截包分段重组

TCP截包分段重组的设计

功能
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TCP报文段会有失序，重复，对于截包还会有丢包。
在进行上层协议分析之前，需要对TCP报文进行重组。
分段重组是对TCP数据进行重新排序，丢序重复的数据，并指示数据的丢失。

输入
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重组只处理单向数据流，所以一个TCP连接需要分别处理两个方向的数据流。
重组的数据假定已经检查了检验和。
截包重组忽略TCP窗口的大小。
简单地讲，重组仅关心TCP序号，应答号，及数据，还有几个特殊的TCP标志。
特殊的TCP标志有：SYN, ACK, RST, FIN，需要特别处理。
重组需要一个启始序号，从SYN包获取。ACK标志表示应答序号有效。
RST，FIN将设置流的结束标志，待所有数据接收完成，流才关闭。
TCP连接的关闭只能从双向流的关闭判断。

输出
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重组不进行上层协议的处理，因为上层协议处理需要结合双向数据流，甚至多个TCP流。
只进行缓存，对数据仅仅是压入/弹出。弹出意味着缓存数据在处理完之后进行删除。
输出为重组后的数据分段。弹出数据不必进行分段合并，可以保持原有的分段。
如果严格地实现TCP重组，应该在数据得到确认后(Acknowledged)再弹出。
但在截包数据处理中，并不是这样，只要序号连续就直接处理数据，而不进行缓存。
这是出于以下考虑：
* 等待确认就必须缓存，而多数TCP包是连续的，不需要排序，直接处理可大大提高效率。
* 数据在稍后肯定会有应答确认，只有TCP中断的情况下才有可能没有确认，这样处理影响不大。
* 对于可能的单向数据流截包分析，只能忽略确认号。
（在这种情况下，丢包会造成大量分段的缓存，需要限制分段缓存数。）

接口定义
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* 缓存一个TCP段。
如果这个TCP段是失序的，就要进行缓存。
大多数情况下，没有失序，就不必缓存，可以直接进行上层协议的分析。
返回布尔值指示了该数据是否进行了缓存。

* 弹出下一个TCP段。
接受一个TCP段后，或确认一个序号后，
都有可能有多个TCP段数据可以弹出进行上层协议分析。
弹出后需要删除，所以弹出操作可能是组合操作，
如判断是否有数据，取数据，删除数据，下一个数据等等。
还有可能弹出一个丢失的TCP段，即指示某段数据已丢失。

* 确认一个序号。
对未到达序号进行确认表示有数据丢失。
丢包会造成后序的TCP段都进入缓存，确认丢包可跳过丢失的序号。

* 开始，结束，重置一个序号。
对应SYN/FIN/RST标志。

* 是否已关闭。
一个TCP的关闭 = 双向数据流都已关闭。
单向数据流的关闭，除了看是否接收到FIN标志，
还要看FIN标志序号前的数据是否已全部收到，即FIN包有可能超前。

* 强制结束。在TCP结束包丢包的时候，需要强制结束一个TCP连接。
强制结束一个数据流，会造成所有缓存的数据弹出。

代码示例：

class CTcpSegments
{
public:
    void Syn(u_int32_t seq);
    void Ack(u_int32_t ack);
    void Rst(u_int32_t seq);
    void Fin(u_int32_t seq);
   
    bool Push(const u_char * data,
              unsigned int len,
              u_int32_t seq);

    // Maybe several methods：CanPop(), GetTop(), DelTop(), Next()...
    const TcpSegment_t & Pop();
       
    void ForceFin(); // ack all the buffered and set fin
    bool IsClosed() const;
}   

使用示例
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假设有一个CTcpConnection对象，处理一个IP:Port地址对上的TCP流。
CTcpConnection有两个CTcpSegments对象，分别重组客户端和服务端的TCP数据流。

class CTcpConnection
{
    ...
    CTcpSegments m_clt, m_svr;
}

例如对于一个客户端发往服务端的TCP包数据，则如下处理：

1. 处理被应答的服务端数据
m_svr.Acknowledge(nAck);
while (m_svr.CanPop())
    DealSvrData(m_svr.Pop());

2. 处理当前TCP包的数据
m_clt.Push(...);
while (m_clt.CanPop())
    DealCltData(m_clt.Pop());

3. 处理FIN/RST标志
if (TCP_FIN & cTcpFlags)
    m_clt.Fin(nSeq);
if (TCP_RST & cTcpFlags)
    m_clt.Rst(nSeq);