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2. 传输层
负责数据能够从发送端传输接收端
2.1 再谈端口号
端口号(Port)标识了一个主机上进行通信的不同的应用程序
在TCP/IP协议中, 用 “源IP”, “源端口号”, “目的IP”, “目的端口号”, “协议号” 这样一个五元组来标识一个通信(可以通过netstat -n查看);
2.1.1 端口号范围划分
- 0 - 1023: 知名端口号, HTTP, FTP, SSH等这些广为使用的应用层协议, 他们的端口号都是固定的
- 1024 - 65535: 操作系统动态分配的端口号. 客户端程序的端口号, 就是由操作系统从这个范围分配的
2.1.2 认识知名端口号
有些服务器是非常常用的, 为了使用方便, 人们约定一些常用的服务器, 都是用以下这些固定的端口号:
- ssh服务器, 使用22端口
- ftp服务器, 使用21端口
- telnet服务器, 使用23端口
- http服务器, 使用80端口
- https服务器, 使用443
执行下面的命令, 可以看到知名端口号
cat /etc/services
我们自己写一个程序使用端口号时, 要避开这些知名端口号
两个问题：
- 一个进程是否可以bind多个端口号?
- 一个端口号是否可以被多个进程bind?
2.1.3 netstat
netstat是一个用来查看网络状态的重要工具.
语法：netstat [选项]
功能：查看网络状态
常用选项：
- n 拒绝显示别名，能显示数字的全部转化成数字
- l 仅列出有在 Listen (监听) 的服務状态
- p 显示建立相关链接的程序名
- t (tcp)仅显示tcp相关选项
- u (udp)仅显示udp相关选项
- a (all)显示所有选项，默认不显示LISTEN相关
2.1.4 pidof
在查看服务器的进程id时非常方便.
语法：pidof [进程名]
功能：通过进程名, 查看进程id
2.2 UDP协议
2.2.1 UDP协议端格式
- 16位UDP长度, 表示整个数据报(UDP首部+UDP数据)的最大长度
- 如果校验和出错, 就会直接丢弃
2.2.2 UDP的特点
UDP传输的过程类似于寄信.
- 无连接: 知道对端的IP和端口号就直接进行传输, 不需要建立连接;
- 不可靠: 没有确认机制, 没有重传机制; 如果因为网络故障该段无法发到对方, UDP协议层也不会给应用层返回任何错误信息;
- 面向数据报: 不能够灵活的控制读写数据的次数和数量;
2.2.3 面向数据报
应用层交给UDP多长的报文, UDP原样发送, 既不会拆分, 也不会合并;
用UDP传输100个字节的数据：
如果发送端调用一次sendto, 发送100个字节, 那么接收端也必须调用对应的一次recvfrom, 接收100个字节; 而不能循环调用10次recvfrom, 每次接收10个字节
2.2.4 UDP的缓冲区
- UDP没有真正意义上的 发送缓冲区. 调用sendto会直接交给内核, 由内核将数据传给网络层协议进行后续的传输动作
- UDP具有接收缓冲区. 但是这个接收缓冲区不能保证收到的UDP报的顺序和发送UDP报的顺序一致; 如果缓冲区满了, 再到达的UDP数据就会被丢弃
UDP的socket既能读, 也能写, 这个概念叫做 全双工
2.2.5 UDP使用注意事项
我们注意到, UDP协议首部中有一个16位的最大长度. 也就是说一个UDP能传输的数据最大长度是64K(包含UDP首部)
然而64K在当今的互联网环境下, 是一个非常小的数字
2.2.6 基于UDP的应用层协议
NFS: 网络文件系统
TFTP: 简单文件传输协议
DHCP: 动态主机配置协议
BOOTP: 启动协议(用于无盘设备启动)
DNS: 域名解析协议
当然, 也包括你自己写UDP程序时自定义的应用层协议
2.3 TCP协议
TCP全称为 “传输控制协议(Transmission Control Protocol”). 人如其名, 要对数据的传输进行一个详细的控制
2.3.1 TCP协议段格式
- 源/目的端口号: 表示数据是从哪个进程来, 到哪个进程去;
- 32位序号/32位确认号: 后面详细讲;
- 4位TCP报头长度: 表示该TCP头部有多少个32位bit(有多少个4字节); 所以TCP头部最大长度是15 * 4 = 60
- 6位标志位:
- URG: 紧急指针是否有效
- ACK: 确认号是否有效
- PSH: 提示接收端应用程序立刻从TCP缓冲区把数据读走
- RST: 对方要求重新建立连接; 我们把携带RST标识的称为复位报文段
- SYN: 请求建立连接; 我们把携带SYN标识的称为同步报文段
- FIN: 通知对方, 本端要关闭了, 我们称携带FIN标识的为结束报文段
- 16位窗口大小: 后面再说
- 16位校验和: 发送端填充, CRC校验。接收端校验不通过, 则认为数据有问题. 此处的检验和不光包含TCP首部, 也包含TCP数据部分
- 16位紧急指针: 标识哪部分数据是紧急数据
- 40字节 头部选项: 暂时忽略
2.3.2 确认应答(ACK)机制
TCP将每个字节的数据都进行了编号。即为序列号。
每一个ACK都带有对应的确认序列号, 意思是告诉发送者, 我已经收到了哪些数据; 下一次你从哪里开始发
2.3.3 超时重传机制
- 主机A发送数据给B之后, 可能因为网络拥堵等原因, 数据无法到达主机B;
- 如果主机A在一个特定时间间隔内没有收到B发来的确认应答, 就会进行重发;
但是, 主机A未收到B发来的确认应答, 也可能是因为ACK丢失了;
因此主机B会收到很多重复数据. 那么TCP协议需要能够识别出那些包是重复的包, 并且把重复的丢弃掉。这时候我们可以利用前面提到的序列号，,就可以很容易做到去重的效果。
那么, 如果超时的时间如何确定?
- 最理想的情况下, 找到一个最小的时间, 保证 “确认应答一定能在这个时间内返回”
- 但是这个时间的长短, 随着网络环境的不同, 是有差异的
- 如果超时时间设的太长, 会影响整体的重传效率
- 如果超时时间设的太短, 有可能会频繁发送重复的包
TCP为了保证无论在任何环境下都能比较高性能的通信, 因此会动态计算这个最大超时时间.
- Linux中(BSD Unix和Windows也是如此), 超时以500ms为一个单位进行控制, 每次判定超时重发的超时时间都是500ms的整数倍
- 如果重发一次之后, 仍然得不到应答, 等待 2*500ms 后再进行重传
- 如果仍然得不到应答, 等待 4*500ms 进行重传. 依次类推, 以指数形式递增
- 累计到一定的重传次数, TCP认为网络或者对端主机出现异常, 强制关闭连接
2.3.4 连接管理机制
在正常情况下, TCP要经过三次握手建立连接, 四次挥手断开连接
服务端状态转化:
- [CLOSED -> LISTEN] 服务器端调用listen后进入LISTEN状态, 等待客户端连接;
- [LISTEN -> SYN_RCVD] , 并向客户端(同步报文段), 就将该连接放入内核等待队列中。一旦监听到连接请求发送SYN确认报文。
- [SYN_RCVD -> ESTABLISHED] 服务端一旦收到客户端的确认报文, 就进入ESTABLISHED状态, 可以进行读写数据了.
- [ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT] 当客户端主动关闭连接(调用close), 服务器会收到结束报文段, 服务器返回确认报文段并进入CLOSE_WAIT;
- [CLOSE_WAIT -> LAST_ACK] 进入CLOSE_WAIT后说明服务器准备关闭连接(需要处理完之前的数据); 当服务器真正调用close关闭连接时, 会向客户端发送FIN, 此时服务器进入LAST_ACK状态, 等待最后一个ACK到来(这个ACK是客户端确认收到了FIN)
- [LAST_ACK -> CLOSED] 服务器收到了对FIN的ACK, 彻底关闭连接.
客户端状态转化:
- [CLOSED -> SYN_SENT] 客户端调用connect, 发送同步报文段;
- [SYN_SENT -> ESTABLISHED] connect调用成功, 则进入ESTABLISHED状态, 开始读写数据;
- [ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1] 客户端主动调用close时, 向服务器发送结束报文段, 同时进入FIN_WAIT_1;
- [FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2] 客户端收到服务器对结束报文段的确认, 则进入FIN_WAIT_2, 开始等待服务器的结束报文段;
- [FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT] 客户端收到服务器发来的结束报文段, 进入TIME_WAIT, 并发出LAST_ACK;
- [TIME_WAIT -> CLOSED] 客户端要等待一个2MSL(Max Segment Life, 报文最大生存时间)的时间, 才会进入CLOSED状态.
下图是TCP状态转换的一个汇总：
- 较粗的虚线表示服务端的状态变化情况;
- 较粗的实线表示客户端的状态变化情况
- CLOSED是一个假想的起始点, 不是真实状态;
关于 “半关闭” , 男女朋友分手例子。
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