TCP/IP协议详解-优快云博客

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TCP/IP协议（ Transmission Control Protocol/Internet Protocol 传输控制协议/因特网互联协议）

TCP/IP是一个Protocol Stack，包括 TCP、 IP、 UDP、 ICMP、 RIP、 TELNET、FTP、 SMTP、 ARP等许多协议

最早发源于美国国防部（缩写为DoD）的因特网的前身ARPA网项目， 1983年1月1日， TCP/IP取代了旧的网络控制协议NCP，成为今天的互联网局域网的基石和标准,由互联网工程任务组负责维护

共定义了四层和OSI参考模型的分层有对应关系

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主要总结一下TCP和UDP协议的工作原理和状态

TCP协议的特性：

工作在传输层面向连接协议
全双工协议
半关闭
错误检查
将数据打包成段，排序
确认机制
数据恢复，重传
流量控制，滑动窗口
拥塞控制，慢启动和拥塞避免算法

UDP协议的特性：

工作在传输层
提供不可靠的网络访问
非面向连接协议
有限的错误检查
传输性能高
无数据恢复特性

TCP协议的包头

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项目	描述
源端口、目标端口：	计算机上的进程要和其他进程通信是要通过计算机端口的，而一个计算机端口某个时刻只能被一个进程占用，所以通过确定源端口和目标端口，就可以知道是哪两个进程需要通信。源端口、目标端口是用16位表示的，可推算计算机的端口个数为2^16个
序列号：	表示本报文段所发送数据的第一个字节的编号。在TCP连接中所传送的字节流的每一个字节都会按顺序编号。由于序列号由32位表示，所以每2^32个字节，就会出现序列号回绕，再次从 0 开始
确认号：	表示接收方期望收到发送方下一个报文段的第一个字节数据的编号。也就是告诉发送发：我希望你（指发送方）下次发送的数据的第一个字节数据的编号是这个确认号
数据偏移：	表示TCP报文段的首部长度，共4位，由于TCP首部包含一个长度可变的选项部分，需要指定这个TCP报文段到底有多长。它指出 TCP 报文段的数据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远。该字段的单位是32位(即4个字节为计算单位）， 4位二进制最大表示15，所以数据偏移也就是TCP首部最大60字节
URG：	表示本报文段中发送的数据是否包含紧急数据。后面的紧急指针字段（urgent pointer）只有当URG=1时才有效
ACK：	表示是否前面的确认号字段是否有效。 ACK=1，表示有效。只有当ACK=1时，前面的确认号字段才有效。 TCP规定，连接建立后， ACK必须为1,带ACK标志的TCP报文段称为确认报文段
PSH：	提示接收端应用程序应该立即从TCP接收缓冲区中读走数据，为接收后续数据腾出空间。如果为1，则表示对方应当立即把数据提交给上层应用，而不是缓存起来，如果应用程序不将接收到的数据读走，就会一直停留在TCP接收缓冲区中
RST：	如果收到一个RST=1的报文，说明与主机的连接出现了严重错误（如主机崩溃），必须释放连接，然后再重新建立连接。或者说明上次发送给主机的数据有问题，主机拒绝响应，带RST标志的TCP报文段称为复位报文段
SYN：	在建立连接时使用，用来同步序号。当SYN=1， ACK=0时，表示这是一个请求建立连接的报文段；当SYN=1， ACK=1时，表示对方同意建立连接。 SYN=1，说明这是一个请求建立连接或同意建立连接的报文。只有在前两次握手中SYN才置为1，带SYN标志的TCP报文段称为同步报文段
FIN：	表示通知对方本端要关闭连接了，标记数据是否发送完毕。如果FIN=1，即告诉对方：“我的数据已经发送完毕，你可以释放连接了”，带FIN标志的TCP报文段称为结束报文段
窗口大小：	表示现在充许对方发送的数据量，也就是告诉对方，从本报文段的确认号开始允许对方发送的数据量
校验和：	提供额外的可靠性
紧急指针：	标记紧急数据在数据字段中的位置
选项部分:	其最大长度可根据TCP首部长度进行推算。 TCP首部长度用4位表示，选项部分最长为： (2^4-1)4-20=40字节常见选项：最大报文段长度： Maxium Segment Size， MSS 窗口扩大： Windows Scaling 时间戳*： Timestamps

TCP握手与挥手机制

三次握手（建立可靠的tcp连接）

四次挥手（断开连接）
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CLOSED 没有任何连接状态
LISTEN 侦听状态，等待来自远方TCP端口的连接请求
SYN-SENT 在发送连接请求后，等待对方确认
SYN-RECEIVED 在收到和发送一个连接请求后，等待对方确认
ESTABLISHED 代表传输连接建立，双方进入数据传送状态
FIN-WAIT-1 主动关闭,主机已发送关闭连接请求，等待对方确认
FIN-WAIT-2 主动关闭,主机已收到对方关闭传输连接确认，等待对方发送关闭传输连接请求
TIME-WAIT 完成双向传输连接关闭，等待所有分组消失
CLOSE-WAIT 被动关闭,收到对方发来的关闭连接请求，并已确认
LAST-ACK 被动关闭,等待最后一个关闭传输连接确认，并等待所有分组消失
CLOSING 双方同时尝试关闭传输连接，等待对方确认

TCP超时重传

异常网络状况下（开始出现超时或丢包）， TCP控制数据传输以保证其承诺的可靠服务
TCP服务必须能够重传超时时间内未收到确认的TCP报文段。为此， TCP模块为每个TCP报文段都维护一个重传定时器，该定时器在TCP报文段第一次被发送时启动。如果超时时间内未收到接收方的应答， TCP模块将重传TCP报文段并重置定时器
。至于下次重传的超时时间如何选择，以及最多执行多少次重传，就是TCP的重传策略
与TCP超时重传相关的两个内核参数：
/proc/sys/net/ipv4/tcp_retries1，指定在底层IP接管之前TCP最少执行的重传次数，默认值是3
/proc/sys/net/ipv4/tcp_retries2，指定连接放弃前TCP最多可以执行的重传次数，默认值15（一般对应13～30min）

TCP拥塞控制

TCP为提高网络利用率，降低丢包率，并保证网络资源对每条数据流的公平性。即所谓的拥塞控制
TCP拥塞控制的标准文档是RFC 5681，其中详细介绍了拥塞控制的四个部分：慢启动（slow start）、拥塞避免（congestion avoidance）、快速重传（fast retransmit）和快速恢复（fast recovery）。拥塞控制算法在Linux下有多种实现，比如reno算法、 vegas算法和cubic算法等。它们或者部分或者全部实现了上述四个部分
当前所使用的拥塞控制算法
/proc/sys/net/ipv4/tcp_congestion_control

UDP包头

列表内容

端口

传输层通过port号，确定应用层协议

Port number:
端口号范围：0-65535
IANA:互联网数字分配机构（负责域名，数字资源，协议分配）
- 0-1023：系统端口或特权端口(仅管理员可用) ，众所周知，永久的分配给固定的系统应用使用， 22/tcp(ssh), 80/tcp(http), 443/tcp(https)
- 1024-49151：用户端口或注册端口，但要求并不严格，分配给程序注册为某应用使用， 1433/tcp(SqlServer)， 1521/tcp(oracle),3306/tcp(mysql),11211/tcp/udp (memcached)
- 49152-65535：动态端口或私有端口，客户端程序随机使用的端口其范围的定义： /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_rang