TCP/IP

时间：2016-08-05 16:00:25 阅读：212 评论：0 收藏：0 [点我收藏+]

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TCP/IP

1. 基本概念

为什么会有TCP/IP协议

在世界上各地，各种各样的电脑运行着各自不同的操作系统为大家服务，这些电脑在表达同一种信息的时候所使用的方法是千差万别。就好像圣经中上帝打乱了各地人的口音，让他们无法合作一样。计算机使用者意识到，计算机只是单兵作战并不会发挥太大的作用。只有把它们联合起来，电脑才会发挥出它最大的潜力。于是人们就想方设法的用电线把电脑连接到了一起。但是简单的连到一起是远远不够的，就好像语言不同的两个人互相见了面，完全不能交流信息。因而他们需要定义一些共通的东西来进行交流，TCP/IP就是为此而生。TCP/IP不是一个协议，而是一个协议族的统称。里面包括了IP协议，IMCP协议，TCP协议，以及我们更加熟悉的http、ftp、pop3协议等等。电脑有了这些，就好像学会了外语一样，就可以和其他的计算机终端做自由的交流了。

TCP/IP协议分层

提到协议分层，我们很容易联想到ISO-OSI的七层协议经典架构，但是TCP/IP协议族的结构则稍有不同。如图所示

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TCP/IP协议族按照层次由上到下，层层包装。最上面的就是应用层了，这里面有http，ftp,等等我们熟悉的协议。而第二层则是传输层，著名的TCP和UDP协议就在这个层次。第三层是网络层，IP协议就在这里，它负责对数据加上IP地址和其他的数据（后面会讲到）以确定传输的目标。第四层是叫数据链路层，这个层次为待传送的数据加入一个以太网协议头，并进行CRC编码，为最后的数据传输做准备。再往下则是硬件层次了，负责网络的传输，这个层次的定义包括网线的制式，网卡的定义等等（这些我们就不用关心了，我们也不做网卡），所以有些书并不把这个层次放在tcp/ip协议族里面，因为它几乎和tcp/ip协议的编写者没有任何的关系。发送协议的主机从上自下将数据按照协议封装，而接收数据的主机则按照协议从得到的数据包解开，最后拿到需要的数据。这种结构非常有栈的味道，所以某些文章也把tcp/ip协议族称为tcp/ip协议栈。

四个层次

1) 链路层，有时也称作数据链路层或网络接口层，
通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。它们一起处理与电缆（或其他任何传输媒介）的物理接口细节。

目的：为IP模块发送和接收IP数据报。

为ARP模块发送ARP请求和接收ARP应答。

为RARP发送RARP请求和接收RARP应答

2) 网络层，有时也称作互联网层，处理分组在网络中的活动，例如分组的选路。在
T C P / I P协议族中，网络层协议包括I P协议（网际协议），I C M P协议（I n t e r n e t互联网控制报文协议），以及I G M P协议（I n t e r n e t组管理协议）。

3 ) 运输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在 T C P / I P协议族中，有两个互不相同的传输协议：T C P（传输控制协议）和U D P（用户数据报协议）。T C P为两台主机提供高可靠性的数据通信。它所做的工作包括把应用程序交给它的数据分成合适的小块交给下面的网络层，确认接收到的分组，设置发送最后确认分组的超时时钟等。由于运输层提供了高可靠性的端到端的通信，因此应用层可以忽略所有这些细节。而另一方面，U D P则为应用层提供一种非常简单的服务。它只是把称作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数据报能到达另一端。任何必需的可靠性必须由应用层来提供。这两种运输层协议分别在不同的应用程序中有不同的用途，这一点将在后面看到。

4 ) 应用层负责处理特定的应用程序细节。几乎各种不同的 T C P / I P实现都会提供下面这些通用的应用程序：

• Telnet 远程登录。
• FTP 文件传输协议。
• SMTP 简单邮件传送协议。
• SNMP 简单网络管理协议。

一些基本的知识

互联网地址(ip地址)

网络上每一个节点都必须有一个独立的Internet地址（也叫做IP地址）。现在，通常使用的IP地址是一个32bit的数字，也就是我们常说的IPv4标准，这32bit的数字分成四组，也就是常见的255.255.255.255的样式。IPv4标准上，地址被分为五类，我们常用的是B类地址。具体的分类请参考其他文档。需要注意的是IP地址是网络号+主机号的组合，这非常重要。

域名系统

域名系统是一个分布的数据库，它提供将主机名（就是网址啦）转换成IP地址的服务。

RFC

RFC是什么？RFC就是tcp/ip协议的标准文档，在这里我们可以看到RFC那长长的定义列表，现在它一共有4000多个协议的定义，当然，我们所要学习的，也就是那么十几个协议而已。

端口号(port)

注意，这个号码是用在TCP，UDP上的一个逻辑号码，并不是一个硬件端口，我们平时说把某某端口封掉了，也只是在IP层次把带有这个号码的IP包给过滤掉了而已。

应用编程接口

现在常用的编程接口有socket和TLI。而前面的有时候也叫做“Berkeley socket”，可见Berkeley对于网络的发展有多大的贡献。

几个重要的协议

2. TCP 协议

TCP协议是面向连接、保证高可靠性(数据无丢失、数据无失序、数据无错误、数据无重复到达)传输层协议。

1.TCP头分析

先来分析一下TCP头的格式以及每一个字段的含义:

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(1)端口号[16bit]

我们知道，网络实现的是不同主机的进程间通信。在一个操作系统中，有很多进程，当数据到来时要提交给哪个进程进行处理呢?这就需要用到端口号。在TCP头中，有源端口号(Source Port)和目标端口号(Destination Port)。源端口号标识了发送主机的进程,目标端口号标识接受方主机的进程。

(2)序号[32bit]

序号分为发送序号(Sequence Number)和确认序号(Acknowledgment Number)。

发送序号：用来标识从 TCP源端向 TCP目的端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的第一个数据字节的顺序号。如果将字节流看作在两个应用程序间的单向流动，则 TCP用顺序号对每个字节进行计数。序号是 32bit的无符号数，序号到达 2 32－ 1后又从 0开始。当建立一个新的连接时， SYN标志变 1，顺序号字段包含由这个主机选择的该连接的初始顺序号 ISN（ Initial Sequence Number）。

确认序号：包含发送确认的一端所期望收到的下一个顺序号。因此，确认序号应当是上次已成功收到数据字节顺序号加 1。只有 ACK标志为 1时确认序号字段才有效。 TCP为应用层提供全双工服务，这意味数据能在两个方向上独立地进行传输。因此，连接的每一端必须保持每个方向上的传输数据顺序号。

(3)偏移[4bit]

这里的偏移实际指的是TCP首部的长度，它用来表明TCP首部中32 bit字的数目，通过它可以知道一个TCP包它的用户数据是从哪里开始的。这个字段占4bit,如4bit的值是0101,则说明TCP首部长度是5 * 4 = 20字节。所以TCP的首部长度最大为15 * 4 = 60字节。然而没有可选字段，正常长度为20字节。

(4)Reserved [6bit]

目前没有使用，它的值都为0

(5)标志[6bit]

在TCP首部中有6个标志比特。他们中的多个可同时被置为1 。

URG 紧急指针(urgent pointer)有效

ACK 确认序号有效

PSH 指示接收方应该尽快将这个报文段交给应用层而不用等待缓冲区装满

RST 一般表示断开一个连接

例如:一个TCP的客户端向一个没有监听的端口的服务器端发起连接,wirshark抓包如下

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可以看到host:192.168.63.134向host:192.168.63.132发起连接请求，但是host：192.168.63.132并没有处于监听对应端口的服务器端,这时

host : 192.168.63.132发一个RST置位的TCP包断开连接。

SYN 同步序号用来发起一个连接

FIN 发送端完成发送任务(即断开连接)

(6)窗口大小(window)[16bit]

窗口的大小，表示源方法最多能接受的字节数。。

(7)校验和[16bit]

校验和覆盖了整个的TCP报文段:TCP首部和TCP数据。这是一个强制性的字段，一定是由发端计算和存储，并由收端进行验证。

(8)紧急指针[16bit]

只有当URG标志置为1时紧急指针才有效。紧急指针是一个正的偏移量，和序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。TCP的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。

(9)TCP选项

是可选的,在后面抓包的时候，我们在看看它

2.重点详解

(1)三次握手建立连接

a.请求端(通常称为客户)发送一个SYN段指明客户打算连接的服务器的端口，以及初始序号(ISN,在这个例子中为1415531521)。这个SYN段为报文段1。

b.服务器发回包含服务器的初始序号的SYN报文段(报文段2)作为应答。同时，将确认序号设置为客户的ISN加1以对客户的SYN报文段进行确认。一个SYN将占用一个序号

c.客户必须将确认序号设置为服务器的ISN加1以对服务器的SYN报文段进行确认(报文段3)

这三个报文段完成连接的建立。这个过程也称为三次握手(three-way handshake)

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用wirshark抓包如下:

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可以看到三次握手确定了双方间包的序号、最大接受数据的大小(window)以及MSS(Maximum Segment Size)。

MSS = MTU - IP头 - TCP头,MTU表示最大传输单元，我们在IP头分析的时候会讲到,它一般为1500个字节。IP头和TCP 头部带可选选项的时候都是20个字节。这样的话MSS=1500 - 20 -20 = 1460。

MSS限制了TCP包携带数据的大小,它的意思就是当应用层向传输层提交数据通过TCP协议进行传输时，如果应用层的数据>MSS就必须分段，分成多个段，逐个的发过去。

例如:应用层一次性向传输层提交4096个字节数据，这个时候通过wirshark抓包效果如下:

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前三次是三次握手的过程，后面三次是传送数据的过程，由于数据大小是4096个字节，所以用了三次进行传递(1448 + 1448 + 1200)。

细心的人会问为什么每次传送的最大数据大小不是1460个字节呢?因为这里的TCP携带可选项，TCP头长度 = 20 + 12（可选选项大小） = 32字节。这样能传输的最大数据为:1500 - 20 - 32 = 1448个字节。

(2)四次挥手断开连接

a.现在的网络通信都是基于socket实现的，当客户端将自己的socket进行关闭时，内核协议栈会向服务器自动发送一个FIN置位的包，请求断开连接。我们称首先发起断开请求的一方称为主动断开方。

b.服务器端收到请客端的FIN断开请求后，内核协议栈会立即发送一个ACK包作为应答，表示已经收到客户端的请求

c.服务器运行一段时间后，关闭了自己的socket。这个时候内核协议栈会向客户端发送一个FIN置位的包，请求断开连接

d.客户端收到服务端发来的FIN断开请求后，会发送一个ACK做出应答，表示已经收到服务端的请求

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用wirshar抓包分析如下:

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(3)TCP可靠性的保证

TCP采用一种名为“带重传功能的肯定确认（positive acknowledge with retransmission）”的技术作为提供可靠数据传输服务的基础。这项技术要求接收方收到数据之后向源站回送确认信息ACK。发送方对发出的每个分组都保存一份记录，在发送下一个分组之前等待确认信息。发送方还在送出分组的同时启动一个定时器，并在定时器的定时期满而确认信息还没有到达的情况下，重发刚才发出的分组。图3-5表示带重传功能的肯定确认协议传输数据的情况，图3-6表示分组丢失引起超时和重传。为了避免由于网络延迟引起迟到的确认和重复的确认，协议规定在确认信息中稍带一个分组的序号，使接收方能正确将分组与确认关联起来。

从图 3-5可以看出，虽然网络具有同时进行双向通信的能力，但由于在接到前一个分组的确认信息之前必须推迟下一个分组的发送，简单的肯定确认协议浪费了大量宝贵的网络带宽。为此， TCP使用滑动窗口的机制来提高网络吞吐量，同时解决端到端的流量控制。

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(4)滑动窗口技术

滑动窗口技术是简单的带重传的肯定确认机制的一个更复杂的变形，它允许发送方在等待一个确认信息之前可以发送多个分组。如图 3-7所示，发送方要发送一个分组序列，滑动窗口协议在分组序列中放置一个固定长度的窗口，然后将窗口内的所有分组都发送出去；当发送方收到对窗口内第一个分组的确认信息时，它可以向后滑动并发送下一个分组；随着确认的不断到达，窗口也在不断的向后滑动。

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3. UDP协议

与TCP协议不同，UDP协议并不提供超时重传，出错重传等功能，也就是说其是不可靠的协议。

UDP协议也是传输层协议，它是无连接，不保证可靠的传输层协议。它的协议头比较简单，如下:

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这里的端口号就不解释了,和TCP的端口号是一样的含义。

Length占用2个字节，标识UDP头的长度。

Checksum : 校验和,包含UDP头和数据部分。

4. IP协议

I P是T C P / I P协议族中最为核心的协议。所有的T C P、U D P、I C M P及I G M P数据都以I P数据报格式传输。它的特点如下:

不可靠（u n r e l i a b l e）的意思是它不能保证 I P数据报能成功地到达目的地。 I P仅提供最好的传输服务。如果发生某种错误时，如某个路由器暂时用完了缓冲区， I P有一个简单的错误处理算法：丢弃该数据报，然后发送 I C M P消息报给信源端。任何要求的可靠性必须由上层来提供（如T C P）。

无连接（c o n n e c t i o n l e s s）这个术语的意思是I P并不维护任何关于后续数据报的状态信息。每个数据报的处理是相互独立的。这也说明， I P数据报可以不按发送顺序接收。如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数据报（先是 A，然后是B），每个数据报都是独立地进行路由选择，可能选择不同的路线，因此B可能在A到达之前先到达。

1.IP 头格式

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(1)版本　占4位，指IP协议的版本。通信双方使用的IP协议版本必须一致。目前广泛使用的IP协议版本号为4（即IPv4）。关于IPv6，目前还处于草案阶段。

(2)首部长度　占4位，可表示的最大十进制数值是15。请注意，这个字段所表示数的单位是32位字长（1个32位字长是4字节），因此，当IP的首部长度为1111时（即十进制的15），首部长度就达到60字节。当IP分组的首部长度不是4字节的整数倍时，必须利用最后的填充字段加以填充。因此数据部分永远在4字节的整数倍开始，这样在实现IP协议时较为方便。首部长度限制为60字节的缺点是有时可能不够用。但这样做是希望用户尽量减少开销。最常用的首部长度就是20字节（即首部长度为0101），这时不使用任何选项。

(3)区分服务　占8位，用来获得更好的服务。这个字段在旧标准中叫做服务类型，但实际上一直没有被使用过。1998年IETF把这个字段改名为区分服务DS(Differentiated Services)。只有在使用区分服务时，这个字段才起作用。

(4)总长度　总长度指首部和数据之和的长度，单位为字节。总长度字段为16位，因此数据报的最大长度为216-1=65535字节。

在IP层下面的每一种数据链路层都有自己的帧格式，其中包括帧格式中的数据字段的最大长度，这称为最大传送单元MTU(Maximum Transfer Unit)。当一个数据报封装成链路层的帧时，此数据报的总长度（即首部加上数据部分）一定不能超过下面的数据链路层的MTU值。

(5)标识(identification)　占16位。IP软件在存储器中维持一个计数器，每产生一个数据报，计数器就加1，并将此值赋给标识字段。但这个“标识”并不是序号，因为IP是无连接服务，数据报不存在按序接收的问题。当数据报由于长度超过网络的MTU而必须分片时，这个标识字段的值就被复制到所有的数据报的标识字段中。相同的标识字段的值使分片后的各数据报片最后能正确地重装成为原来的数据报。

(6)标志(flag)　占3位，但目前只有2位有意义。

●　标志字段中的最低位记为MF(More Fragment)。MF=1即表示后面“还有分片”的数据报。MF=0表示这已是若干数据报片中的最后一个

●　标志字段中间的一位记为DF(Don’t Fragment)，意思是“不能分片”。只有当DF=0时才允许分片。

(7)片偏移　占13位。片偏移指出：较长的分组在分片后，某片在原分组中的相对位置。也就是说，相对用户数据字段的起点，该片从何处开始。片偏移以8个字节为偏移单位。这就是说，每个分片的长度一定是8字节（64位）的整数倍。

(8)生存时间　占8位，生存时间字段常用的的英文缩写是TTL(Time To Live)，表明是数据报在网络中的寿命。由发出数据报的源点设置这个字段。其目的是防止无法交付的数据报无限制地在因特网中兜圈子，因而白白消耗网络资源。最初的设计是以秒作为TTL的单位。每经过一个路由器时，就把TTL减去数据报在路由器消耗掉的一段时间。若数据报在路由器消耗的时间小于1秒，就把TTL值减1。当TTL值为0时，就丢弃这个数据报。

(9)协议　占8位，协议字段指出此数据报携带的数据是使用何种协议，以便使目的主机的IP层知道应将数据部分上交给哪个处理过程。

(10)首部检验和　占16位。这个字段只检验数据报的首部，但不包括数据部分。这是因为数据报每经过一个路由器，路由器都要重新计算一下首部检验和（一些字段，如生存时间、标志、片偏移等都可能发生变化）。不检验数据部分可减少计算的工作量。

(11)源IP地址　占32位。

(12)目的IP地址　占32位。

2.分片解释

分片指的是需要传送的数据大于最大传输单元（MTU）的时候，就需要分成多个包，然后一个个发送给对方。我们在说TCP的时候，说到MSS很多人不能区分它们。通过下面的图，我想就可以完全区分它们了。

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个人觉的如果通过TCP协议传输数据，到IP层的时候，可定不需要分片了。只有在通过UDP协议传送大数据的时候，需要分片。

例如:用UDP协议传送10240个字节数据

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可以看到，但数据提交到网络层的时候，由于数据超过了最大传输单元，就分片了。分成多个包通过IP协议发送个对方。每个数据包最大的字节为MTU - IP头 = 1500 - 20 = 1480。

5. 以太网头

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三部分组成 :源MAC Address | 目的 MAC Address | 所使用的协议.

所以在以太网中，数据包的格式有一下几种:

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ARP协议是通过IP地址获得对应的MAC地址，称为地址解析协议

RARP协议是通过MAC地址来获得对应的IP地址，称为逆向地址解析协议

6. 工作原理

TCP/IP的工作原理。
(1) 在源主机上应用层将一串字节流传给传输层；
(2) 传输层将字节流分成TCP段，加上TCP包头交给互联网络(IP)层；
(3) IP层生成一个包，将TCP段放人其数据域，并加上源和目的主机的IPIP包交给数据链路层；
(4) 数据链路层在其帧的数据部分装IP包，发往目的主机或IP路由器；
(5) 在目的主机，数据链路层将数据链路层帧头去掉，将IP包交给互联网层；
(6) IP层检查IP包头，如果包头中的校验和与计算出来的不一致，则丢弃该包；
(7) 如果校验和一致，IP层去掉IP头，将TCP段交给TCP层，TCP层检查顺序号来判断是否为正确的TCP段；
(8) TCP层为TCP包头计算TCP头和数据。如果不对，TCP层丢弃这个包，若对，则向源主机发送确认；
(9) 在目的主机，TCP层去掉TCP头，将字节流传给应用程序；
(10) 于是目的主机收到了源主机发来的字节流，就像直接从源主机发来的一样。
实际上每往下一层，便多加了一个报头，而这个头对上层来说是透明的，上层根本感觉不到下面报头的存在。