TCP/IP詳解

背景

不少不一樣的廠家生產各類型號的計算機，它們運行徹底不一樣的操做系統，但TCP/IP協議族容許它們互相進行通訊。這一點很讓人感到吃驚，由於它的做用已遠遠超出了起初的設想。它成爲被稱做「全球互聯網」或「因特網(Internet)」的基礎

1、TCP/IP協議族

TCP/IP一般被認爲分四層

每一層負責不一樣的功能：

1. 鏈路層，有時也稱做數據鏈路層或網絡接口層，一般包括操做系統中的設備驅動程序和計算機中對應的網絡接口卡。它們一塊兒處理與電纜（或其餘任何傳輸媒介）的物理接口細節。
2. 網絡層，有時也稱做互聯網層，處理分組在網絡中的活動，例如分組的選路。在TCP/IP協議族中，網絡層協議包括IP協議（網際協議），ICMP協議（Internet互聯網控制報文協議），以及IGMP協議（Internet組管理協議）。
3. 運輸層主要爲兩臺主機上的應用程序提供端到端的通訊。在TCP/IP協議族中，有兩個互不相同的傳輸協議：TCP（傳輸控制協議）和UDP（用戶數據報協議）。 TCP爲兩臺主機提供高可靠性的數據通訊。它所作的工做包括把應用程序交給它的數據分紅合適的小塊交給下面的網絡層，確認接收到的分組，設置發送最後確認分組的超時時鐘等。因爲運輸層提供了高可靠性的端到端的通訊，所以應用層能夠忽略全部這些細節。而另外一方面，UDP則爲應用層提供一種很是簡單的服務。它只是把稱做數據報的分組從一臺主機發送到另外一臺主機，但並不保證該數據報能到達另外一端。任何須需的可靠性必須由應用層來提供。這兩種運輸層協議分別在不一樣的應用程序中有不一樣的用途，這一點將在後面看到。
4. 應用層負責處理特定的應用程序細節。幾乎各類不一樣的TCP/IP實現都會提供下面這些通用的應用程序：

• Telnet遠程登陸。
• FTP文件傳輸協議。
• SMTP簡單郵件傳送協議。
• SNMP簡單網絡管理協議。

TCP和UDP是兩種最爲著名的運輸層協議，兩者都使用ip做爲網絡層協議。TCP優勢，可靠穩定，因爲它是在創建鏈接的狀況下以及使用各類重傳、校驗、序號標識、確認應答等各類機制因此保證了可靠穩定的傳輸，固然因爲它有這些過程因此會有佔用系統資源高、傳輸效率低、實現服務器複雜缺點。而UDP正好相反

IP是網絡層上的主要協議，同時被TCP和UDP使用,是一個不可靠服務，ip數據報傳輸過程是無鏈接的，每次傳輸數據報時是不保證成功到達目的地的，若是再傳輸過程當中發生了錯誤，那麼採起的處理的方式是直接丟包並用ICMP來與其餘主機或路由器交換錯誤報文和其餘重要信息 你們都知道TCP屬於可靠傳輸

ICMP是IP協議的附屬協議。IP層用它來與其餘主機或路由器交換錯誤報文和其餘重要信息，Ping工具使用了ICMP協議

IGMP是Internet組管理協議。它用來把一個UDP數據報多播到多個主機。

ARP（地址解析協議）和RARP（逆地址解析協議）是某些網絡接口（如以太網和令牌環網）使用的特殊協議，用來轉換IP層和網絡接口層使用的地址。

IP地址

IP是TCP/IP協議族中最爲核心的協議。全部的TCP、UDP、ICMP及IGMP數據都以IP數據報格式傳輸。IP層提供不可靠、無鏈接的數據報傳送服務

IP首部

IPV4共分五類

公有IP地址：也叫全局地址，是指合法的IP地址，它是由NIC（網絡信息中心管理機構就是互聯網絡信息中心（Internet Network Information Centre））或者ISP(網絡服務提供商)分配的地址，對外表明一個或多個內部局部地址，是全球統一的可尋 址的地址。

私有IP地址：也叫內部地址，屬於非註冊地址，專門爲組織機構內部使用。因特網分配編號委員會（IANA）保留了3塊IP地址作爲私有IP地址：

10.0.0.0 ——— 10.255.255.255

172.16.0.0——— 172.16.255.255

192.168.0.0———192.168.255.255

子網號

從圖能夠看出IP號由網絡號和主機號組成，而A、B這兩類在同一個網段下的主機號分配太多，這個不太符合實際生活。因此有了子網號

主要目的爲了減小一個網段下的主機號分配過多問題

經過子網掩碼肯定IP是否屬於一個網段，是否能夠直接通訊

IP路由選擇

若是目的主機與源主機直接相連（如點對點鏈路）或都在一個共享網絡上（以太網或令牌環網），那麼IP數據報就直接送到目的主機上。不然，主機把數據報發往一默認的路由器上，由路由器來轉發該數據報。

1. 局域網內的路由選擇

IP層在內存中有一個路由表。當收到一份數據報並進行發送時，它都要對該表搜索一次。當數據報來自某個網絡接口時，IP首先檢查目的IP地址是否爲本機的IP地址。若是確實是這樣，數據報就被送到由IP首部協議字段所指定的協議模塊進行處理。若是數據報的目的不是這些地址，那麼（1）若是IP層被設置爲路由器的功能，那麼就對數據報進行轉發（也就是說，像下面對待發出的數據報同樣處理）；不然（2）數據報被丟棄。

IP不夠用

1. 路由器NAT

NAT英文全稱是「Network Address Translation」， 是一種把內部私有網絡地址（IP地址）翻譯成合法網絡IP地址的技術， NAT在必定程度上，可以有效的緩解公網地址不足的問題。但不能根本解決IP不足

2. ipv6

2、TCP

TCP是一種面向鏈接的傳輸協議，面向鏈接意味着兩個使用TCP的應用（一般是一個客戶和一個服務器）在彼此交換數據以前必須先創建一個TCP鏈接。這一過程與打電話很類似，先撥號振鈴，等待對方摘機說「喂」，而後才說明是誰。

TCP是一種安全可靠的傳輸協議，經過下列方式提供可靠性

• 應用數據被分割成TCP認爲最適合發送的數據塊。這和UDP徹底不一樣，應用程序產生的數據報長度將保持不變。由TCP傳遞給IP的信息單位稱爲報文段或段
• 超時重傳策略，當TCP發出一個段後，它啓動一個定時器，等待目的端確認收到這個報文段。若是不能及時收到一個確認，將重發這個報文段。
• ACK，當TCP收到發自TCP鏈接另外一端的數據，它將發送一個確認。這個確認不是當即發送，一般將推遲幾分之一秒。
• TCP將保持它首部和數據的檢驗和。這是一個端到端的檢驗和，目的是檢測數據在傳輸過程當中的任何變化。若是收到段的檢驗和有差錯，TCP將丟棄這個報文段和不確認收到此報文段（但願發端超時並重發）。
• 既然TCP報文段做爲IP數據報來傳輸，而IP數據報的到達可能會失序，所以TCP報文段的到達也可能會失序。若是必要，TCP將對收到的數據進行從新排序，將收到的數據以正確的順序交給應用層。
• 既然IP數據報會發生重複，TCP的接收端必須丟棄重複的數據。
• TCP還能提供流量控制。TCP鏈接的每一方都有固定大小的緩衝空間。TCP的接收端只容許另外一端發送接收端緩衝區所能接納的數據。這將防止較快主機導致較慢主機的緩衝區溢出。

TCP頭部

不計任選字段，它一般是20個字節

那麼Data層最大數據是多少字節？ MTU，最大傳輸單元，和鏈路層協議有着密切的關係。每一個以太網幀都有最小的大小64Bytes最大不能超過1518Bytes，這個限制之外的認爲是錯誤的幀。

TCP 包的大小就應該是 1518 - 以太網頭尾(18) - IP頭(20) - TCP頭(20) = 1460 (Bytes)

TCP鏈接的創建與終止

鏈接，三次握手

1. 請求端（一般稱爲客戶）發送一個SYN段指明客戶打算鏈接的服務器的端口，以及初始序號（ISN，在這個例子中爲1415531521）。這個SYN段爲報文段1。
2. 服務器發回包含服務器的初始序號的SYN報文段（報文段2）做爲應答。同時，將確認序號設置爲客戶的ISN加1以對客戶的SYN報文段進行確認。一個SYN將佔用一個序號。
3. 客戶必須將確認序號設置爲服務器的ISN加1以對服務器的SYN報文段進行確認（報文段3）。

斷開，四次握手

鏈接是雙通道的，斷開每一個通道都須要兩次握手

1. 客戶端發送FIN來終止這個方向鏈接
2. 服務器收到FIN返回一個ACK

此時客戶端向服務端通道斷開，不能再發送數據，而服務器端還能給客戶端發送數據

3. 服務端發送FIN來終止這個方向鏈接
4. 客戶端收到FIN返回一個ACK

鏈接超時

客戶端鏈接服務器未響應時，會有三次重鏈接操做，每次重鏈接時間會增加。三次未成功最後放棄鏈接

TCP成塊數據流

TCP所使用的是滑動窗口協議的一種流量控制方法，容許發送方在中止並等待確認前能夠連續發送多個分組。因爲發送方沒必要每發一個分組就停下來等待確認，所以該協議能夠加速數據的傳輸。 滑動窗口：接收方一次最多能夠接受數據的大小

TCP保活選項

保活功能主要是爲服務器應用程序提供的。服務器應用程序但願知道客戶主機是否崩潰，從而能夠表明客戶使用資源。

保活優勢：

非正常斷開, 服務器並不能檢測到，經過保活機制能夠檢查到廢棄的鏈接，從而釋放服務器資源

保活缺點：

1. 在出現短暫差錯的狀況下，這可能會使一個很是好的鏈接釋放掉；
2. 它們耗費沒必要要的帶寬；
3. 在按分組計費的狀況下會在互聯網上花掉更多的錢。

應用層經過心跳機制和TCP保活機制對比：

應用層：

1. 本身開發，可控，靈活配置。
2. 通用，不依賴底層協議。協議層不提供心跳機制時，應用層的還可使用。

TCP保活：

1. 自帶保活功能，使用簡單，下降編碼的複雜度
2. 耗費流量小

TCP是一種可靠的面向鏈接的傳輸控制協議，若是數據有問題會經過ARQ重傳數據。這就會引入一個問題：

（１）如何確認接收方收到分組和分組的正確性？

接收方經過返回一個ACK值確認已經收到正確的分組

如此會引入如下三個問題：

（１）發送方應該對一個ACK等待多長時間

接收方在收到數據後，並不會當即回覆ACK,而是延遲必定時間。通常ACK延遲發送的時間爲200ms，但這個200ms並不是收到數據後須要延遲的時間。系統有一個固定的定時器每隔200ms會來檢查是否須要發送ACK包。這樣作有兩個目的。 一、這樣作的目的是ACK是能夠合併的，也就是指若是連續收到兩個TCP包，並不必定須要ACK兩次，只要回覆最終的ACK就能夠了，能夠下降網絡流量。 二、若是接收方有數據要發送，那麼就會在發送數據的TCP數據包裏，帶上ACK信息。這樣作，能夠避免大量的ACK以一個單獨的TCP包發送，減小了網絡流量。

（２）若是ack丟了怎麼辦

（３）若是分組被接收到了，有差錯

問題二若是丟了就再次發送原分組，固然這會致使接收方接受到多個拷貝，解決辦法是經過序列號來處理

問題三能夠經過編碼技術檢查數據完整性，或者不返回ack等待重傳完整的分組

這種運行方式效率很低，因此出現了滑動窗口的方案。

TCP 一般一個ＴＣＰ頭部爲２０字節，即佔１６０位，帶選項時爲６０字節。這個值是由《頭部長度》位控制，以３２位字爲單位，《頭部長度》佔４位那麼最大值爲１５，因此

１５＊４＝６０（最大）５＊４＝２０（最小）

源端口、目的端口、序列號、確認號、頭部長度、SYN、FIN、ACK、窗口大小、TCP校驗和、選項

當創建一個ＴＣＰ鏈接時，客戶端和服務器都會隨機一個初始序列號值，以後客戶端或服務器每發送一個數據流，會將這個數據流拆分紅若干個分組，稱爲一個組包。接收方收到一個分組，會對序列號+1並做爲ACK延時（爲了與SACK選項區分）返回給發送方，表示已成功接受分組，並指望發送下一個以當前序列號開始的分組

選項：

SACK:　選擇確認選項，出現空洞或接受到亂序數據發送給發送方

MSS：最大段選項

TCP狀態轉換

13.7　tcp服務器選項

參考資料

1. TCP/IP詳解卷1
2. http://www.javashuo.com/article/p-sftxytpx-r.html