TCP/IP协议小结

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:

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

UDP协议的特性:

  1. 工作在传输层
  2. 提供不可靠的网络访问
  3. 非面向连接协议
  4. 有限的错误检查
  5. 传输性能高
  6. 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)
三次握手
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

总结

TCP/IP协议是以太网最重要的协议之一,需要好好掌握原理,理解包结构。可以用抓包工具wireshark抓包观察。有很好的提升

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