Linux基礎：TCP/IP協議詳解

TCP/IP協議

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Transmission Control Protocol /Internet Protocol   傳輸控制協議/英特爾互聯協議
TCP/IP是一個Protocol Stack，包括TCP、 IP、UDP、ICMP、RIP、TELNET、FTP、 SMTP、ARP等許多協議
最先發源於美國國防部（縮寫DOD）的英特爾的前身ARPA網項目1983年1月1日，TCP/IP取代了舊的網絡控制協議NCP，成爲今天的互聯網和局域網的基石和標準，由互聯網工程任務組負責維護
共定義了四層
和ISO參考模型的分層有對應關係  

TCP/IP 協議和OSI模型 

TCP/IP              OSI參考模型

應用層               應用層
                         表示層
                         會話層

傳輸層               傳輸層

internet層           網絡層

數據鏈路層           數據鏈路層

物理層               物理層

TCP特性

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工做在傳輸層
面向鏈接協議
全雙工協議
半關閉
錯誤檢查
將數據打包成端，排序
確認機制
數據恢復重傳
流量控制，滑動窗口
擁塞控制，慢啓動和擁塞避免算法

TCP

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源端口，目標端口：計算機上的進程要是和其餘進程通訊是經過計算機端口的，而一個計算機端口某個時刻只能被一個進程佔用，因此經過制定源端口和目標端口，就能夠知道是那兩個進程須要通訊，源端口，目標端口是用16位表示的，可推算計算機端口個數爲2^16個
序列號：表示本報文段所發送數據的第一個字節的編號，在TCP連接中所傳送的字節節流的每個字節都會按順序編號，因爲序列號有32位表示，因此每2^32個字節，都會出現序列號迴繞，再次從0開始
確認號：表示接收方指望收到發送方下一個報文段的第一個字節數據的編號，也就是告訴發送發：我但願你下一次發送的數據的第一個字節數據的編號是這個確認號 
數據偏移： 表示TCP報文段的首部長度，共4位 因爲TCP首部包含一個長度可變的選項部分，須要指定這個TCP報文的長度到底有多長，他指出TCP報文段的數據起始處距離TCP報文段的起始處有多遠 ，該字段單位是32位，4位二進最大表示15 因此數據飄逸也是TCP首部最大60字節

TCP包頭

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URG：表示本報文段中發送的數據是否包含緊急數據。後面的緊急指針字段（urgent pointer）只有當URG=1時纔有效 
    ACK：表示是否前面確認號字段是否有效。只有當ACK=1時，前面的確認號字段纔有效。 TCP規定，鏈接創建後，ACK必須爲1,帶ACK標誌的TCP報文段稱爲確認報文段 
    PSH：提示接收端應用程序應該當即從TCP接收緩衝區中讀走數據，爲接收後續數據騰出空 間。若是爲1，則表示對方應當當即把數據提交給上層應用，而不是緩存起來，若是應用程序 不將接收到的數據讀走，就會一直停留在TCP接收緩衝區中 
    RST：若是收到一個RST=1的報文，說明與主機的鏈接出現了嚴重錯誤（如主機崩潰），必 須釋放鏈接，而後再從新創建鏈接。或者說明上次發送給主機的數據有問題，主機拒絕響應， 帶RST標誌的TCP報文段稱爲復位報文段 
    SYN：在創建鏈接時使用，用來同步序號。當SYN=1，ACK=0時，表示這是一個請求創建連 接的報文段；當SYN=1，ACK=1時，表示對方贊成創建鏈接。SYN=1，說明這是一個請求 創建鏈接或贊成創建鏈接的報文。只有在前兩次握手中SYN才置爲1，帶SYN標誌的TCP報文 段稱爲同步報文段 
    FIN：表示通知對方本端要關閉鏈接了，標記數據是否發送完畢。若是FIN=1，即告訴對方： 「個人數據已經發送完畢，你能夠釋放鏈接了」，帶FIN標誌的TCP報文段稱爲結束報文段

序號和確認號和標記爲

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seq:序號：發送者的發的包的序號 
ack:確認號：是接收者收到後返回的確認包 

標記位：
URG:（緊急指針位）只有當URG=1時纔有意義
ACK：（確認位）表示是否前面確認號字段是否有效。只有當ACK=1時，前面的確認號字段纔有效。
RST：重置位
SYN：同步位
FIN：結束位

TCP包頭

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窗口大小：表示如今容許對方發送的數據量，也就是告訴對方，從本報文段的確認號開始容許對方發送的數據量
校驗和：提供額外的可靠性
緊急指針：標記緊急數據在數據字段中的位置
選項部分：其最大長度可根據TCP首部長度進行推算
常見選項：
    最大報文段長度：Maxium Segment Size，MSS
    窗口擴大：Windows Scaling
    時間戳： Timestamps

TCP三次握手

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所謂三次握手(Three-way Handshake)，是指創建一個TCP鏈接時，須要客戶端和服務器總共發送3個包。
三次握手的目的是鏈接服務器指定端口，創建TCP鏈接,並同步鏈接雙方的序列號和確認號並交換 TCP 窗口大小信息.在socket編程中，客戶端執行connect()時。將觸發三次握手：

三次握手過程

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第一次握手：創建鏈接時,客戶端發送SYN包(syn=j)到服務器,並進入SYN_SEND狀態,等待服務器確認； 
第二次握手：服務器收到SYN包,必須確認客戶的SYN（ack=j+1）,同時本身也發送一個SYN包（syn=k）,即SYN+ACK包,此時服務器進入SYN_RECV狀態； 
第三次握手：客戶端收到服務器的SYN＋ACK包,向服務器發送確認包ACK(ack=k+1),此包發送完畢,客戶端和服務器進入ESTABLISHED狀態,完成三次握手.

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TCP四次揮手

TCP的鏈接的拆除須要發送四個包，所以稱爲四次揮手(four-way handshake)。
客戶端或服務器都可主動發起揮手動做，在socket編程中，任何一方執行close()操做便可產生揮手操做。

四次揮手過程

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step1：第一次揮手
首先，客戶端發送一個FIN，用來關閉客戶端到服務器的數據傳送，而後等待服務器的確認。其中終止標誌位FIN=1，序列號seq=u。

step2：第二次揮手
服務器收到這個FIN，它發送一個ACK，確認ack爲收到的序號加一。

step3：第三次揮手
關閉服務器到客戶端的鏈接，發送一個FIN給客戶端。

step4：第四次揮手
客戶端收到FIN後，併發回一個ACK報文確認，並將確認序號seq設置爲收到序號加一。首先進行關閉的一方將執行主動關閉，而另外一方執行被動關閉。

客戶端發送FIN後，進入終止等待狀態，服務器收到客戶端鏈接釋放報文段後，就當即給客戶端發送確認，服務器就進入CLOSE_WAIT狀態，
此時TCP服務器進程就通知高層應用進程，於是從客戶端到服務器的鏈接就釋放了。
此時是「半關閉狀態」，即客戶端不能夠發送給服務器，服務器能夠發送給客戶端。 
此時，若是服務器沒有數據報發送給客戶端，其應用程序就通知TCP釋放鏈接，而後發送給客戶端鏈接釋放數據報，並等待確認。
客戶端發送確認後，進入TIME_WAIT狀態，可是此時TCP鏈接尚未釋放，而後通過等待計時器設置的2MSL後，才進入到CLOSE狀態。

爲何創建鏈接協議是三次握手，而關閉鏈接倒是四次呢

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這是由於服務端的LISTEN狀態下的SOCKET當收到SYN報文的鏈接請求後，它能夠把ACK和SYN(ACK起應答做用，而SYN起同步做用)放在一個報文裏來發送。

但關閉鏈接時，當收到對方的FIN報文通知時，它僅僅表示對方沒有數據發送給你了；
但未必你全部的數據都所有發送給對方了，因此你可能未必會立刻會關閉SOCKET,也即你可能還須要發送一些數據給對方以後，再發送FIN報文給對方來表示你贊成如今能夠關閉鏈接了，
因此它這裏的ACK報文和FIN報文多數狀況下都是分開發送的。

爲何不能用兩次握手進行鏈接

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咱們知道，3次握手完成兩個重要的功能，既要雙方作好發送數據的準備工做(雙方都知道彼此已準備好)，也要容許雙方就初始序列號進行協商，這個序列號在握手過程當中被髮送和確認。

如今把三次握手改爲僅須要兩次握手，死鎖是可能發生的。
做爲例子，考慮計算機S和C之間的通訊，假定C給S發送一個鏈接請求分組，S收到了這個分組，併發 送了確認應答分組。
按照兩次握手的協定，S認爲鏈接已經成功地創建了，能夠開始發送數據分組。
但是，C在S的應答分組在傳輸中被丟失的狀況下，將不知道S 是否已準備好，不知道S創建什麼樣的序列號，C甚至懷疑S是否收到本身的鏈接請求分組。
在這種狀況下，C認爲鏈接還未創建成功，將忽略S發來的任何數據分 組，只等待鏈接確認應答分組。
而S在發出的分組超時後，重複發送一樣的分組。這樣就造成了死鎖。

爲何TIME_WAIT狀態須要通過2MSL(最大報文段生存時間)才能返回到CLOSE狀態？

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雖然按道理，四個報文都發送完畢，咱們能夠直接進入CLOSE狀態了，可是咱們必須假象網絡是不可靠的，有能夠最後一個ACK丟失。
因此TIME_WAIT狀態就是用來重發可能丟失的ACK報文。

TCP超時重傳

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異常網絡狀態下（開始出現超時或丟包），TCP控制數據傳輸以保證其承若的可靠服務
TCP服務必須可以重傳超時時間內未收到的TCP報文段
爲此，TCP模塊爲每個TCP報文段都維護一個重傳定時器，該定時器在TCP報文段第一次被髮送時啓動
與TCP超時重傳相關的兩個內核參數：
/proc/sys/net/ipv4/tcp_retries1：最少執行的重傳次數
proc/sys/net/ipv4/tcp_retries2：作多執行的重傳次數默認值15

TCP協議和UDP協議的區別是什麼

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TCP協議是有鏈接的，有鏈接的意思是開始傳輸實際數據以前TCP的客戶端和服務器端必須經過三次握手創建鏈接，會話結束以後也要結束鏈接。
    而UDP是無鏈接的  

    TCP協議保證數據按序發送，按序到達，提供超時重傳來保證可靠性，
    可是UDP不保證按序到達，甚至不保證到達，只是努力交付，即使是按序發送的序列，也不保證按序送到。

CP協議PORT

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傳輸層經過port號，確認應用層協議
tcp ：傳輸控制協議，面向鏈接協議：通訊前須要創建虛擬鏈路：結束後拆除鏈路   0-65535
udp:無鏈接的協議  0-65535
IANA：互聯網數字分配機構（負責域名；數字資源；協議分配）
    0-1023：系統端口或特權端口（僅管理員可用）總所周知，永久的分配個固定 的系統應用使用  22（ssh）80(http) 443(https)
    1024-49125:     用戶端口或註冊端口但要求不嚴格
    49152-65535：動態端口或私有端口，客戶端程序隨機使用端口
    其範圍的定義：/proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range

Internet協議特徵

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運行與OSI網絡層
面向無鏈接的協議
獨立處理數據包
分層編址
盡力而爲傳輸
無數據恢復功能

單播多播廣播

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處地址類別外，還能夠根據傳輸的信息特徵將IP地址分爲單播，多播，廣播。主機使用IP地址進行一對一（單播），一對多（多播），或一對全部（廣播）的通訊
            單播：單播地址是IP網絡中最多見的。包含單播地址的分組發送給特定主機，
            多播：多播地址讓原設備可以將元分組發送給一組設備
            廣播：廣播分組的目標IP地址的主機部分全爲1 ，這覺得着本地網絡（廣播域）中的全部主機都將接收並查看該分組

ARP地址解析協議：

IP PDU報頭

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版本：佔4位，指IP協議的版本目前的IP協議版本號爲4
首部長度：佔4位，可表示的最大數值是15個單位，一個單位爲四個字節，所以IP的首部長度的最大數值是60個字節
區分服務：佔8位用來得到更好的服務，在舊標準中叫作服務類型，到實際上未被使用過，後更名爲區分服務，只有在使用區分服務時，這個字段才起做用，通常的狀況下都不使用
總長度：佔16位，指首部和數據之和的長度，單位爲字節，所以數據報的最大長度爲65535字節，總長度不能超過最大傳輸單元MTU
標識：佔16位它是一個計數器，一般,沒發送一個只有當報文，該值會加1 ，也用於數據包分片，自同一個包的若干分片中，該值是相同的
標誌：佔3位，目前只有後兩位有意義
DF：中間的一位，只有當DF=1是才容許分片。
MF：最高位,MF=1表示後面還有分片，表示最後一個分片
片偏移：佔12位，指較長的分組 在分片後，該分片在原分組中的相對位置，片偏移以8個字節爲偏移單位
生存時間：佔8位，即爲TTL數據報在網絡中可經過的路由器的最大值，TTL字段是有發送端初始設置一個8bit字節，推薦的初始值由分配數字RFC指定，當前值爲64 發送ICMP回顯應答是=時常常把TTL設爲最大值255
協議：佔8位，指出此數據寶攜帶數據使用何種協議以便目的主機的IP層將數據部分上交給哪一個處理過程，1表示ICMP協議，2表示爲IGMP協議 ，6表示TCP協議，17表示爲UDP協議
首部檢驗和：佔16位，只驗證數據報的首部不檢驗數據部分，這裏不採用CRC檢驗碼而採用簡單的計算方法
原地址和目標地址：都各自佔4個字節，分別記錄原地址和目的地址

IP地址

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他們可惟一標識IP網絡中的每一臺設備
每臺主機（計算機，網絡設備，外圍設備）必須具備惟一的地址
IP地址有兩部分組成：
    標識網絡
    每一個網絡分配一個ID
主機ID：
    標識單個主機
    有組織非配給各設備

IP地址分類

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A類：
    0 000 0000 - 0111 1111:1-127 
    網絡數：126,127
    每一個網絡中的主機數：2^24-2
    默認子網掩碼：255.0.0.0
    私網地址：10.0.0.0
B類：
    10 00 0000 - 10 11 1111： 128-191
    網絡數：2^14
    每一個網絡中的主機數：2^16 -2
    默認子網掩碼：255.255.0.0
    私網地址：172.16.0.0-172.31.0.0
C類：
    110 0 0000 -110 1 1111:192-223
    網絡數：2^21
    每一個網絡中的主機數:2^8-2
    默認子網掩碼：255,255,255.0
D類：組播
E類：240-255