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TCP_illustrated

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参考资料：

http://www.52im.net/topic-tcpipvol1.html?mobile=no

https://www.bilibili.com/video/BV1Mx411v7rJ

第一章：概述

应用层：Telnet，FTP，email等
运输层：TCP，UDP
网络层：IP、ICMP、IGMP
链路层：设备驱动程序和接口卡、以太网协议、令牌环、ARP、RARP、PPP、SLIP

路由器的好处是为不同类型的物理网络提供连接：以太网、令牌环网、点对点的链接和FDDI（光纤分布式数据接口）等等。

运输层TCP：在不可靠的IP层上提供了一个可靠的运输层。为了提供这种可靠的服务，TCP采用了超时重传、发送和接收端到端的确认分组等机制。
网络层IP：提供的是一种不可靠的服务，只是尽可能快地把分组从源结点送到目的结点

网桥是在链路层上对网络进行互连，而路由器则是在网络层上对网络进行互连

应用层：消息（message)、
传输层：数据段(segment)、TCP报文段：端到端
网络层：数据报(datagram)、IP数据报：点到点
数据链路层：帧(frame)

一般来说， TCP服务器是并发的，而UDP服务器是重复的

知名端口：1-1023
临时端口：1024-5000
其他端口：>5000，为其他服务器预留
/etc/services

全为0和全为1的网络号有其他用途
全为0的主机号表示本网络，全为1的主机号表示广播
而网络地址中的主机号为0，以指定网络中的所有主机（如以太网，令牌环网）

网络协议： 第4页 图1-4
数据封装过程： 第7页 图1-7
网络协议传输过程：第8页 图1-8

第二章：链路层

链路层：设备驱动程序和接口卡、以太网协议、令牌环、ARP、RARP

链路层主要有三个目的：（1）为IP模块发送和接收IP数据报；（2）为ARP模块发送ARP请求和接收ARP应答；（3）为RARP发送RARP请求和接收RARP应答。

最大传输单元MTU：以太网：1500

链路层协议：令牌环、点对点PPP、SLIP、loopback协议
PPP和SLIP协议更适合于低速链路

netstat：MTU
路径MTU：ICMP的不可到达错误、IP分片、traceroute

MAC地址

第三章：IP：网际协议

IP提供不可靠、无连接的数据报传送服务

不可靠：不能保证IP数据报一定能到达目的地，简单的错误处理方法：丢弃该数据报并发送ICMP，而不是重传。
无连接：发送的数据报没有顺序，并且接收时也没有顺序

IP地址

Telnet、Rlogin：要求最小的传输时延
FTP：最大的吞吐量
网络管理SNMP、路由选择协议：最高可靠性
用户网络新闻 NNTP：最小费用

IP数据报最长：65535字节

TTL：生存时间字段

16位首部校验和：反码求和全为1。

IP校验和只校验20字节的IP报头；
而ICMP校验和覆盖整个报文（ICMP报头+ICMP数据）；
UDP和TCP校验和不仅覆盖整个报文，而且还有12字节的IP伪首部，包括源IP地址(4字节)、目的IP地址(4字节)、协议(2字节，第一字节补0)和TCP/UDP包长(2字节）

而网络地址中的主机号为0，以指定网络中的所有主机（如以太网，令牌环网）

Tracerouter

第四章：ARP协议

ARP：链路层协议，地址解析协议，通过IP获取MAC

arp -a命令

arp高速缓存是有时限的,一般是20分钟(伯克利系统的衍生系统)。

第五章：RARP

RARP：逆地址解析协议，链路层协议

具有本地磁盘的系统引导时，一般是从磁盘上的配置文件中读取 I P地址。但是无盘机，如X终端或无盘工作站，则需要采用其他方法来获得 I P地址。

R A R P请求以广播方式传送，而R A R P应答一般是单播( u n i c a s t )传送的。

R A R P的一个缺点就是它使用链路层广播，这种广播通常不会由路由器转发。

第六章 ICMP：internet控制报文协议

ICMP：IP层协议

I C M P经常被认为是 I P层的一个组成部分。它传递差错报文以及其他需要注意的信息。
I C M P报文通常被I P层或更高层协议（T C P或U D P）使用。
一些I C M P报文把差错报文返回给用户进程。

ICMP报文：分为查询报文和差错报文

而ICMP校验和覆盖整个报文（ICMP报头+ICMP数据）：反码求和

I C M P报文：

  • 地址掩码请求和应答(查询报文)
  • 时间戳请求和应答(查询报文)
  • 不可达端口(差错报文)

U D P的规则之一是，如果收到一份U D P数据报而目的端口与某个正在使用的进程不相符，那么U D P返回一个I C M P不可达报文。可以用T F T P来强制生成一个端口不可达报文

I C M P地址掩码请求和应答以及时间戳请求和应答:在I C M P报文中都有标识符和序列号。发送端应用程序在标识字段内存入一个唯一的数值，以区别于其他进程的应答。序列号字段使得客户程序可以在应答和请求之间进行匹配。

ICMP不可达端口报文包括：导致差错的 I P数据报的首部及后续8个字节

I C M P地址掩码请求用于无盘系统在引导过程中获取自己的子网掩码，无盘系统获取子网掩码的另一个方法是 B O O T P协议

ICMP不可达差错（需要分片）—路径MTU：当路由器收到一份需要分片的的数据报，但是在IP首部设置了不分片的标志比特，那么就会返回ICMP不可达差错报文，从而在程序上实现路径MTU的发现。即不停地加大数据报的长度，一直到返回ICMP不可达差错，即为路径MTU。

tracerout—路径MTU：不停减少数据报的长度，直到能正常通过。

UDP—路径MTU

第七章 ICMP的应用—ping程序

ICMP：IP层协议

ping对应的是ICMP报文

U n i x系统在实现p i n g程序时是把I C M P报文中的标识符字段置成发送进程的 I D号。

序列号从0开始，每发送一次新的回显请求就加 1。p i n g程序打印出返回的每个分组的序列号，允许我们查看是否有分组丢失、失序或重复。

p i n g程序是对两个T C P / I P系统连通性进行测试的基本工具。它只利用 I C M P回显请求和回显应答报文，而不用经过传输层（T C P / U D P） 。P i n g服务器一般在内核中实现I C M P的功能。

第八章 ICMP的应用—traceroute程序

ICMP：IP层协议

traceroute：使用UDP、ICMP

traceroute更适合记录中间路由，补充ping的不足。

Tr a c e r o u t e程序使用I C M P报文和I P首部中的T T L字段（生存周期） 。T T L字段是由发送端初始设置一个8 bit字段。

当路由器收到一份I P数据报，如果其T T L字段是0或1，路由器将该数据报丢弃，并给信源机发一份I C M P“超时”信息。Tr a c e r o u t e程序的关键在于包含这份I C M P信息的I P报文的信源地址是该路由器的I P地址。

traceroute程序的原理：它发送一份T T L字段为1的I P数据报给目的主机。处理这份数据报的第一个路由器将 T T L值减1，丢弃该数据报，并发回一份超时I C M P报文。这样就得到了该路径中的第一个路由器的地址。然后 Tr a c e r o u t e程序发送一份T T L值为2的数据报，这样我们就可以得到第二个路由器的地址。继续这个过程直至该数据报到达目的主机。

traceroute程序判断目的主机：Tr a c e r o u t e程序发送一份U D P数据报给目的主机，但它选择一个不可能的值作为 U D P端口号（大于30 000） ，使目的主机的任何一个应用程序都不可能使用该端口。因为，当该数据报到达时，将使目的主机的 U D P模块产生一份“端口不可达”错误（见 6 . 5节）的I C M P报文。

第九章 IP选路

netstat

ICMP重定向报文只能由路由器发出，为主机所用,而不是为路由器所用。

第十章 动态选路协议

IP选路是静态路由，动态选路协议是动态路由

内部网关协议IGP：RIP、OSPF、HELLO
边际网关协议BGP：

RIP：选路信息协议，RIP报文包含在UDP报文中，以跳数为度量

routed程序：支持RIP协议

OSPF：开放最短路径优先协议：直接使用IP，采用多播

BGP：基于TCP层，距离向量协议

CIDR：无类型域间选路

路由协议不严格属于某个特定层

第十一章 UDP 用户数据报协议

UDP校验和：不仅覆盖整个报文，而且还有12字节的IP伪首部，包括源IP地址(4字节)、目的IP地址(4字节)、协议(2字节，第一字节补0)和TCP/UDP包长(2字节）

IP层没有超时和重传机制，TCP有超时和重传机制。

ICMP不可达差错：UDP数据报需要分片但是设置为不可分片

采用UDP的路径MTU发现

UDP和ARP的交互

UDP应用程序：DNS、TFTP、BOOTP、SNMP

I C M P“源站抑制(source quench)”差错：使用U D P产生I C M P“源站抑制(source quench)”差错。当一个系统（路由器或主机）接收数据报的速度比其处理速度快时，可能产生这个差错：流量控制。

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：面向数据报，进程的每个输出操作正好产生一个UDP数据报，并组装成一份待发送的IP数据包。

TCP：面向流字符

UDP不提供可靠性

UDP的三大应用：

  1. 查询DNS
    1.1 多个DNS可以同时查询
    1.2 快
  2. 数据传输：TFTP
    2.1 停止等待协议：慢（应用层负责确认）
    2.2 适合无盘工作站
  3. 语音视频流
    3.1 支持广播和组播
    3.2 支持丢包，保障效率

IP分片：如果丢失某个分片，需要重传整个数据报

第十二章 广播和多播

广播和多播仅应用于 U D P

对于以太网，当地址中最高字节的最低位设置为 1时表示该地址是一个多播地址，用十六进制可表示为 0 1 : 0 0 : 0 0 : 0 0 : 0 0 : 0 0（以太网广播地址ff : ff : ff : ff : ff : ff可看作是以太网多播地址的特例）

受限的广播地址是 2 5 5 . 2 5 5 . 2 5 5 . 2 5 5。该地址用于主机配置过程中 I P数据报的目的地址，在任何情况下，路由器都不转发目的地址为受限的广播地址的数据报，这样的数据报仅出现在本地网络中。

指向网络的广播地址是主机号为全1的地址。A类网络广播地址为n e t i d . 2 5 5 . 2 5 5 . 2 5 5。一个路由器必须转发指向网络的广播，但它也必须有一个不进行转发的选择。

指向子网的广播地址为主机号为全 1且有特定子网号的地址

I G M P：I n t e r n e t组管理协议：让多播路由器了解确定网络中属于确定多播组的任何一个主机

第十三章 IGMP协议

I G M P：I n t e r n e t组管理协议：让多播路由器了解确定网络中属于确定多播组的任何一个主机

IGMP：TTL=1，控制在同一个路由器网内。

第十四章：DNS 域名系统

域名系统（D N S）是一种用于T C P / I P应用程序的分布式数据库，它提供主机名字和 I P地址之间的转换及有关电子邮件的选路信息。

DNS不属于操作系统内核，核心是解析器，运行在应用程序中。
对D N S的访问是通过一个地址解析器（ r e s oler)完成的。
操作系统内核中的TCP/IP协议对DNS不知道。

DNS服务器的查询一般情况下基于UDP

第十五章 TFTP 简单文件传送协议

为保持简单和短小，T F T P将使用U D P

以读一个文件作为例子，T F T P客户需要发送一个读请求说明要读的文件名和文件模式 ( m o d e )。如果这个文件能被这个客户读取，T F T P服务器就返回一个块编号为 1的数据分组。T F T P客户又发送一个块编号为1的A C K。T F T P服务器随后发送块编号为2的数据。T F T P客户发回块编号为2的A C K。重复这个过程直到这个文件传送完。除了最后一个数据分组可含有不足 5 1 2字节的数据，其他每个数据分组均含有5 1 2字节的数据。当T F T P客户收到一个不足5 1 2字节的数据分组，就知道它收到最后一个数据分组。

在写请求的情况下，TFTP 客户发送W R Q指明文件名和模式。如果该文件能被 该客户写，TFTP 服务器就返回块编号为0的A C K包。该客户就将文件的头5 1 2字节以块编号为1发出。服务器则返回块编号为1的A C K。

这种类型的数据传输称为停止等待协议。它只用在一些简单的协议如 T F T P中。

TFTP实现简单，低吞吐量

TFTP协议：服务器处理读请求是常用的端口69，但是后续发送数据就重开一个端口传输数据，实现并发。

T F T P协议没有提供安全特性

第十六章 BOOTP 引导程序协议

B O O T P：用于无盘系统进行系统引导的替代方法，又称为引导程序协议

B O O T P使用U D P，且通常需与 T F T P协同工作。

当一个客户使用B O O T P（操作码为1）进行系统引导时，引导请求通常是采用链路层广播，I P首部中的目的 I P地址为2 5 5 . 2 5 5 . 2 5 5 . 2 5 5（受限的广播， 1 2 . 2节） 。源I P地址通常是0 . 0 . 0 . 0，因为此时客户还不知道它本身的 I P地址。回顾图3 - 9，在系统进行自引导时， 0 . 0 . 0 . 0是一个有效的I P地址。

既然B O O T P用于系统引导过程，一个无盘系统需要下列协议才能在只读存储器中完成：B O O T P、T F T P、U D P、I P和一个局域网的驱动程序。

第十七章 TCP 传输控制协议

T C P提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。

面向连接：

  • 两个TCP应用在传输数据前必须先建立TCP连接

TCP提供可靠性传输

  • 应用数据被分割成T C P认为最适合发送的数据块。
  • 超时重传
  • 当T C P收到发自T C P连接另一端的数据，它将发送一个确认。这个确认不是立即发送，通常将推迟几分之一秒
  • T C P将保持它首部和数据的检验和。
  • T C P还能提供流量控制。

字节流服务：两个应用程序通过TCP连接交换8bit字节构成的字节流。TCP不在字节流插入记录标识符。发送方按照10字节、20字节、50字节的顺序发送字节流，收方可以是分四次、每次20字节的顺序接收，一方只负责将字节流放在TCP中，同样的字节流将出现在另一方。

T C P对字节流的内容不作任何解释。 T C P不知道传输的数据字节流是二进制数据，还是A S C I I字符、E B C D I C字符或者其他类型数据。对字节流的解释由 T C P连接双方的应用层解释。

如果将字节流看作在两个应用程序间的单向流动，则 T C P用序号对每个字节进行计数。序号是32 bit的无符号数，序号到达23^2－1后又从0开始。

当建立一个新的连接时，S Y N标志变1。序号字段包含由这个主机选择的该连接的初始序号I S N（Initial Sequence Number） 。该主机要发送数据的第一个字节序号为这个 I S N加1，因为S Y N标志消耗了一个序号（将在下章详细介绍如何建立和终止连接，届时我们将看到 F I N标志也要占用一个序号） 。

T C P可以表述为一个没有选择确认或否认的滑动窗口协议.

T C P的流量控制由连接的每一端通过声明的窗口大小来提供.

检验和覆盖了整个的T C P报文段：T C P首部和T C P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。

T C P将用户数据打包构成报文段；它发送数据后启动一个定时器；另一端对收到的数据进行确认，对失序的数据重新排序，丢弃重复数据； T C P提供端到端的流量控制，并计算和验证一个强制性的端到端检验和。

许多流行的应用程序如 Te l n e t、R l o g i n、F T P和S M T P都使用T C P。

IP分片有标识位：占16位，标识这玩意很好理解，IP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。但这个标识并不是平常的序号，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片的标识字段中，等到重组的时候，相同标识符的值的数据报就会被重新组装成一个数据报。

TCP只有序号：表示偏移量

第18章 TCP连接的建立与终止

S: SYN 同步序号
F：FIN 发送方完成数据发送

三次握手(建立连接)：

  1. 发送方：SYN: 100
  2. 接收方：SYN：200，ack：101
  3. 发送方：ack：201

最大报文段长度 MSS

四次挥手：

  1. 发送方：FIN：100
  2. 接收方：ack：101
  3. 接收方：FIN：200
  4. 发送方：ack：201

MSL：TCP报文段最大生存时间，时间为单位
TTL：IP数据报最大生存时间，时间为跳数

T I M E _ WA I T状态也称为2 M S L等待状态。

一个插口对（即包含本地 I P地址、本地端口、远端I P地址和远端端口的4元组）在它处于2 M S L等待时，将不能再被使用。

复位标识R：终止连接。产生复位的一种常见情况是当连接请求到达时，目的端口没有进程正在听。对于 U D P，我们在6 . 5节看到这种情况，当一个数据报到达目的端口时，该端口没在使用，它将产生一个I C M P端口不可达的信息。而T C P则使用复位。

复位标识R：异常终止一个连接对应用程序来说有两个优点： （1）丢弃任何待发数据并立即发送复位报文段；（2）R S T的接收方会区分另一端执行的是异常关闭还是正常关闭。应用程序使用的A P I必须提供产生异常关闭而不是正常关闭的手段。

复位标识R的使用场景：

  1. 到不存在的端口的连接请求
  2. 异常终止连接
  3. 检测半打开连接

第19章 TCP的交互数据流

TCP的数据传输：块数据、交互数据

交互数据总是以小于最大报文段长度的分组发送。在 R l o g i n中通常只有一个字节从客户发送到服务器。Te l n e t允许一次发送一行输入数据，但是目前大多数实现仍然发送一个字节。

delay ack: 对于这些小的报文段，接收方使用经受时延的确认方法来判断确认是否可被推迟发送，以便与回送数据一起发送。这样通常会减少报文段的数目，尤其是对于需要回显用户输入字符的R l o g i n会话。

nagle算法：在较慢的广域网环境中，通常使用 N a g l e算法来减少这些小报文段的数目。这个算法限制发送者任何时候只能有一个发送的小报文段未被确认。

第20章 TCP的成块数据流

TFTP: 停止-等待协议
TCP：滑动窗口协议—>流量控制

确认机制：

  • delay ack
  • 隔一个报文段确认

TCP：累积确认

慢启动：拥塞窗口cwnd，指数增加

拥塞窗口是发送方使用的流量控制，而通告窗口则是接收方使用的流量控制。

PUSH标志：通知接收方将接收到的数据全部交给接受进程。

URG标示：紧急数据

分组丢失：超时和重复确认

慢开始与拥塞避免

慢开始：当cwnd< ssthress, 从一个报文段开始，指数增大
拥塞避免：达到ssthresh值后线性增大

发生拥塞（超时重发）:

1.把ssthresh降低为cwnd值的一半

2.把cwnd重新设置为1

3.重新进入慢启动过程。

快重传和快恢复

快速恢复丢失的数据包。

快重传：收到3个重复的确认后(冗余ack重发)（接收方接收到了失序的报文），执行快重传

快速重传做的事情有：

1.把ssthresh设置为cwnd的一半

2.把cwnd再设置为ssthresh的值(具体实现有些为ssthresh+3)

3.重新进入拥塞避免阶段。

快恢复：快重传发生时，ssthresh设置为拥塞窗口的一半，拥塞窗口设置为新的ssthresh

快速恢复的主要步骤是：

1.当收到3个重复ACK时，把ssthresh设置为cwnd的一半，把cwnd设置为ssthresh的值加3，然后重传丢失的报文段，加3的原因是因为收到3个重复的ACK，表明有3个“老”的数据包离开了网络。

2.再收到重复的ACK时，拥塞窗口增加1。

3.当收到新的数据包的ACK时，把cwnd设置为第一步中的ssthresh的值。原因是因为该ACK确认了新的数据，说明从重复ACK时的数据都已收到，该恢复过程已经结束，可以回到恢复之前的状态了，也即再次进入拥塞避免状态

https://segmentfault.com/a/1190000018360050

ICMP源站抑制：拥塞窗口cwnd设置为1，慢启动阈值ssthresh不变

第21章 TCP的超时和重传

TCP的可靠：超时和重传

超时重传：指数退避

重传定时器：在规定时间内，需要收到另一端发出的报文确认

坚持定时器：使窗口大小信息保持不断流动，即使另一端关闭了其接收窗口—窗口更新ack

保活定时器：用于检测一个空闲连接的另一端是否还保持连接

2MSL定时器：TIME_WAIT状态的时间

坚持定时器：

问题：ACK的传输不可靠，如果通告窗口更新的ACK报文丢失怎么办？

解决方法：发送方使用坚持定时器来周期性地向接收方查询，以便发现窗口是否已经增大。这些发送发发送的报文段称为窗口探查。指数退避。

糊涂窗口综合症

保活定时器：连接中断

如果一个给定的连接在两个小时之内没有任何动作，则服务器就向客户发送一个探查报文段（我们将在随后的例子中看到这个探查报文段看起来像什么）。客户主机必须处于以下 4个状态之一。

(1) 客户主机依然正常运行，并从服务器可达。客户的 T C P响应正常，而服务器也知道对方是正常工作的。服务器在两小时以后将保活定时器复位。如果在两个小时定时器到时间之前有应用程序的通信量通过此连接，则定时器在交换数据后的未来 2小时再复位。

(2) 客户主机已经崩溃，并且关闭或者正在重新启动。在任何一种情况下，客户的 T C P都没有响应。服务器将不能够收到对探查的响应，并在 7 5秒后超时。服务器总共发送 1 0个这样的探查，每个间隔 7 5秒。如果服务器没有收到一个响应，它就认为客户主机已经关闭并终止连接。

(3) 客户主机崩溃并已经重新启动。这时服务器将收到一个对其保活探查的响应，但是这个响应是一个复位，使得服务器终止这个连接。

(4) 客户主机正常运行，但是从服务器不可达。这与状态 2相同，因为T C P不能够区分状态4与状态2之间的区别，它所能发现的就是没有收到探查的响应。

第22章 协议

协议：FTP、Telnet、HHTP、SMTP/POP3、SSl、SNMP、SIP

FTP

数据传输主流协议
成块数据流

两个信道

  • 控制信道
  • 数据信道

两个模式

  • Active mode
  • Passive mode

Telnet

交互数据流

Http

哑服务器

cookie

多连接

安全性弱

SMTP和POP3

SMTP：客户—>服务器，服务器—>服务器

SSL和TLS

SNMP

网络管理协议