tcp/ip基础知识背景及历史
保证通信不中断，分布式通信诞生，分组交换技术诞生。 容灾性较弱的中央集中式网络：容灾性较强的分组网络：
1982年，TCP/IP具体规范最终定下来，并于1983年成为ARPANET网络唯一指定协议。 2.2标准化 简介：TCP/IP 是利用IP进行通信时所必须用到的协议群的统称。 互联网基础 “互联网”是指由ARPANET发展而来、互连全世界的计算机网络。互联网的协议就是TCP/IP。 结构： 互联网中的每个网络都是骨干网（BackBone）和末端网（Stub）组成的。每个网络之间通过NOC（网络操作中心）相连。如果网络运营商不同，它的网络连接方式和使用方法也会不同。连接这种异构网络需要IX的支持。总之，互联网就是众多异构的网络通过IX互连的一个巨型网络。 连接互联网需要向ISP或区域网提出申请。 TCP/IP分层模型 TCP/IP与OSI参考模型： 硬件（物理层） 简介：TCP/IP最底层负责数据传输的硬件。 网络接口层（数据链路层） 简介：网络接口层利用以太网中数据链路层进行通信，因此属于接口层。 互联网层（网络层） 简介：互联网层使用IP协议，它相当于OSI模型中的第3层网络层。IP协议基于IP地址转发分包数据。 IP:跨越网络传送数据包，使整个互联网都能收到数据的协议。IP还隐含着数据链路的功能。通过IP，相互通信的主机之间不论经过怎样的底层数据链路都能实现通信。虽然IP也是分组交换的一种协议，但是它不具有重发机制。即使分组数据包未能到达对端主机也不会重发。因此属于非可靠性传输协议。 ICMP:IP数据包在发送途中一旦发生异常导致无法到达对端目标地址时，需要给发送一个异常的通知。ICMP就是为这一功能而制定的。诊断网络健康。 互联网协议入门 一、概述 1.1 五层模型 互联网的实现，分成好几层。每一层都有自己的功能， 用户接触到的，只是最上面的一层，要理解互联网，必须从最下层开始，自下而上理解每一层的功能。 如何分层有不同的模型，有的模型分七层，有的分四层。我觉得，把互联网分成五层，比较容易解释。 最底下的一层叫做”实体层”（Physical Layer），最上面的一层叫做”应用层”（Application Layer），中间的三层（自下而上）分别是”链接层”（Link Layer）、”网络层”（Network Layer）和”传输层”（Transport Layer）。越下面的层，越靠近硬件；越上面的层，越靠近用户。 1.2 层与协议 每一层都是为了完成一种功能。为了实现这些功能，就需要大家都遵守共同的规则。 大家都遵守的规则，就叫做”协议”（protocol）。 都定义了很多协议。这些协议的总称，就叫做”互联网协议”（Internet Protocol Suite）。它们是互联网的核心， 二、实体层 我们从最底下的一层开始。 第一件事要干什么？当然是先把电脑连起来，可以用光缆、电缆、双绞线、无线电波等方式。 这就叫做”实体层”，它就是把电脑连接起来的物理手段。它主要规定了网络的一些电气特性，作用是负责传送0和1的电信号。 三、链接层 3.1 定义 单纯的0和1没有任何意义，必须规定解读方式：多少个电信号算一组？每个信号位有何意义？ 这就是”链接层”的功能， 3.2 以太网协议 每家公司都有自己的电信号分组方式。逐渐地，一种叫做“以太网”（Ethernet）的协议，占据了主导地位。 以太网规定，一组电信号构成一个数据包，叫做”帧”（Frame）。每一帧分成两个部分：标头（Head）和数据（Data）。 “标头”包含数据包的一些说明项，比如发送者、接受者、数据类型等等；”数据”则是数据包的具体内容。 “标头”的长度，固定为18字节。”数据”的长度，最短为46字节，最长为1500字节。因此，整个”帧”最短为64字节，最长为1518字节。如果数据很长，就必须分割成多个帧进行发送。 3.3 MAC地址 以太网数据包的”标头”，包含了发送者和接受者的信息。那么，发送者和接受者是如何标识呢？ 以太网规定，连入网络的所有设备，都必须具有”网卡”接口。数据包必须是从一块网卡，传送到另一块网卡。网卡的地址，就是数据包的发送地址和接收地址，这叫做MAC地址。 MAC地址，长度是48个二进制位，通常用12个十六进制数表示。 前6个十六进制数是厂商编号，后6个是该厂商的网卡流水号。有了MAC地址，就可以定位网卡和数据包的路径了。 3.4 广播 定义地址只是第一步，后面还有更多的步骤。 首先，一块网卡怎么会知道另一块网卡的MAC地址？ 回答是有一种ARP协议，可以解决这个问题。这个留到后面介绍，这里只需要知道，以太网数据包必须知道接收方的MAC地址，然后才能发送。 其次，就算有了MAC地址，系统怎样才能把数据包准确送到接收方？ 以太网采用了一种很”原始”的方式，它不是把数据包准确送到接收方，而是向本网络内所有计算机发送，让每台计算机自己判断，是否为接收方。 1号计算机向2号计算机发送一个数据包，同一个子网络的3号、4号、5号计算机都会收到这个包。它们读取这个包的”标头”，找到接收方的MAC地址，然后与自身的MAC地址相比较，如果两者相同，就接受这个包，做进一步处理，否则就丢弃这个包。这种发送方式就叫做”广播”（broadcasting）。 有了数据包的定义、网卡的MAC地址、广播的发送方式，”链接层”就可以在多台计算机之间传送数据了。 四、网络层 4.1 网络层的由来 以太网协议，依靠MAC地址发送数据。理论上，单单依靠MAC地址，上海的网卡就可以找到洛杉矶的网卡了，技术上是可以实现的。 以太网采用广播方式发送数据包，所有成员人手一”包”，不仅效率低，而且局限在发送者所在的子网络。也就是说，如果两台计算机不在同一个子网络，广播是传不过去的。这种设计是合理的，否则互联网上每一台计算机都会收到所有包，那会引起灾难。 因此，必须找到一种方法，能够区分哪些MAC地址属于同一个子网络，哪些不是。如果是同一个子网络，就采用广播方式发送，否则就采用”路由”方式发送。（”路由”的意思，就是指如何向不同的子网络分发数据包，这是一个很大的主题，本文不涉及。）遗憾的是，MAC地址本身无法做到这一点。它只与厂商有关，与所处网络无关。 这就导致了”网络层”的诞生。它的作用是引进一套新的地址，使得我们能够区分不同的计算机是否属于同一个子网络。这套地址就叫做”网络地址”，简称”网址”。 于是，”网络层”出现以后，每台计算机有了两种地址，一种是MAC地址，另一种是网络地址。两种地址之间没有任何联系，MAC地址是绑定在网卡上的，网络地址则是管理员分配的，它们只是随机组合在一起。 网络地址帮助我们确定计算机所在的子网络，MAC地址则将数据包送到该子网络中的目标网卡。因此，从逻辑上可以推断，必定是先处理网络地址，然后再处理MAC地址。 4.2 IP协议 规定网络地址的协议，叫做IP协议。它所定义的地址，就被称为IP地址。 我们用分成四段的十进制数表示IP地址，从0.0.0.0一直到255.255.255.255。 互联网上的每一台计算机，都会分配到一个IP地址。这个地址分成两个部分，前一部分代表网络，后一部分代表主机。比如，IP地址172.16.254.1，这是一个32位的地址，假定它的网络部分是前24位（172.16.254），那么主机部分就是后8位（最后的那个1）。处于同一个子网络的电脑，它们IP地址的网络部分必定是相同的，也就是说172.16.254.2应该与172.16.254.1处在同一个子网络。 问题在于单单从IP地址，我们无法判断网络部分。还是以172.16.254.1为例，它的网络部分，到底是前24位，还是前16位，甚至前28位，从IP地址上是看不出来的。 那么，怎样才能从IP地址，判断两台计算机是否属于同一个子网络呢？这就要用到另一个参数”子网掩码”（subnet mask）。 ”子网掩码”，就是表示子网络特征的一个参数。它在形式上等同于IP地址，也是一个32位二进制数字，它的网络部分全部为1，主机部分全部为0。比如，IP地址172.16.254.1，如果已知网络部分是前24位，主机部分是后8位，那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000，写成十进制就是255.255.255.0。 知道”子网掩码”，我们就能判断，任意两个IP地址是否处在同一个子网络。方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算（两个数位都为1，运算结果为1，否则为0），然后比较结果是否相同，如果是的话，就表明它们在同一个子网络中，否则就不是。 总结一下，IP协议的作用主要有两个，一个是为每一台计算机分配IP地址，另一个是确定哪些地址在同一个子网络。 4.3 IP数据包 根据IP协议发送的数据，就叫做IP数据包。不难想象，其中必定包括IP地址信息。 但是前面说过，以太网数据包只包含MAC地址，并没有IP地址的栏位。那么是否需要修改数据定义，再添加一个栏位呢？ 回答是不需要，我们可以把IP数据包直接放进以太网数据包的”数据”部分，因此完全不用修改以太网的规格。这就是互联网分层结构的好处：上层的变动完全不涉及下层的结构。 具体来说，IP数据包也分为”标头”和”数据”两个部分。 “标头”部分主要包括版本、长度、IP地址等信息，”数据”部分则是IP数据包的具体内容。它放进以太网数据包后，以太网数据包就变成了下面这样。 IP数据包的”标头”部分的长度为20到60字节，整个数据包的总长度最大为65,535字节。因此，理论上，一个IP数据包的”数据”部分，最长为65,515字节。前面说过，以太网数据包的”数据”部分，最长只有1500字节。因此，如果IP数据包超过了1500字节，它就需要分割成几个以太网数据包，分开发送了。 4.4 ARP协议 关于”网络层”，还有最后一点需要说明。 因为IP数据包是放在以太网数据包里发送的，所以我们必须同时知道两个地址，一个是对方的MAC地址，另一个是对方的IP地址。通常情况下，对方的IP地址是已知的（后文会解释），但是我们不知道它的MAC地址。 所以，我们需要一种机制，能够从IP地址得到MAC地址。 这里又可以分成两种情况。第一种情况，如果两台主机不在同一个子网络，那么事实上没有办法得到对方的MAC地址，只能把数据包传送到两个子网络连接处的”网关”（gateway），让网关去处理。 第二种情况，如果两台主机在同一个子网络，那么我们可以用ARP协议，得到对方的MAC地址。ARP协议也是发出一个数据包（包含在以太网数据包中），其中包含它所要查询主机的IP地址，在对方的MAC地址这一栏，填的是FF:FF:FF:FF:FF:FF，表示这是一个”广播”地址。它所在子网络的每一台主机，都会收到这个数据包，从中取出IP地址，与自身的IP地址进行比较。如果两者相同，都做出回复，向对方报告自己的MAC地址，否则就丢弃这个包。 总之，有了ARP协议之后，我们就可以得到同一个子网络内的主机MAC地址，可以把数据包发送到任意一台主机之上了。 五、传输层 5.1 传输层的由来 有了MAC地址和IP地址，我们已经可以在互联网上任意两台主机上建立通信。 接下来的问题是，同一台主机上有许多程序都需要用到网络，比如，你一边浏览网页，一边与朋友在线聊天。当一个数据包从互联网上发来的时候，你怎么知道，它是表示网页的内容，还是表示在线聊天的内容？ 也就是说，我们还需要一个参数，表示这个数据包到底供哪个程序（进程）使用。这个参数就叫做”端口”（port），它其实是每一个使用网卡的程序的编号。每个数据包都发到主机的特定端口，所以不同的程序就能取到自己所需要的数据。 “端口”是0到65535之间的一个整数，正好16个二进制位。0到1023的端口被系统占用，用户只能选用大于1023的端口。不管是浏览网页还是在线聊天，应用程序会随机选用一个端口，然后与服务器的相应端口联系。 “传输层”的功能，就是建立”端口到端口”的通信。相比之下，”网络层”的功能是建立”主机到主机”的通信。只要确定主机和端口，我们就能实现程序之间的交流。因此，Unix系统就把主机+端口，叫做”套接字”（socket）。有了它，就可以进行网络应用程序开发了。 5.2 UDP协议 现在，我们必须在数据包中加入端口信息，这就需要新的协议。最简单的实现叫做UDP协议，它的格式几乎就是在数据前面，加上端口号。 UDP数据包，也是由”标头”和”数据”两部分组成。 “标头”部分主要定义了发出端口和接收端口，”数据”部分就是具体的内容。然后，把整个UDP数据包放入IP数据包的”数据”部分，而前面说过，IP数据包又是放在以太网数据包之中的，所以整个以太网数据包现在变成了下面这样： UDP数据包非常简单，”标头”部分一共只有8个字节，总长度不超过65,535字节，正好放进一个IP数据包。 5.3 TCP协议 UDP协议的优点是比较简单，容易实现，但是缺点是可靠性较差，一旦数据包发出，无法知道对方是否收到。 为了解决这个问题，提高网络可靠性，TCP协议就诞生了。这个协议非常复杂，但可以近似认为，它就是有确认机制的UDP协议，每发出一个数据包都要求确认。如果有一个数据包遗失，就收不到确认，发出方就知道有必要重发这个数据包了。 因此，TCP协议能够确保数据不会遗失。它的缺点是过程复杂、实现困难、消耗较多的资源。 TCP数据包和UDP数据包一样，都是内嵌在IP数据包的”数据”部分。TCP数据包没有长度限制，理论上可以无限长，但是为了保证网络的效率，通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度，以确保单个TCP数据包不必再分割。 TCP/IP协议 TCP/IP不是一个协议，而是一个协议族的统称。里面包括IP协议、IMCP协议、TCP协议。 TCP/IP分层： 这里有几个需要注意的知识点： 互联网地址：也就是IP地址，一般为网络号+子网号+主机号 域名系统：通俗的来说，就是一个数据库，可以将主机名转换成IP地址 RFC：TCP/IP协议的标准文档 端口号：一个逻辑号码，IP包所带有的标记 Socket：应用编程接口 数据链路层的工作特性： 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（ARP：地址解析协议，将IP地址转换成MAC地址） 为RARP发送RARP请求和接收RARP应答 接下来我们了解一下TCP/IP的工作流程： 数据链路层从ARP得到数据的传递信息，再从IP得到具体的数据信息 IP协议 IP协议头当中，最重要的就是TTL（IP允许通过的最大网段数量）字段（八位），规定该数据包能穿过几个路由之后才会被抛弃。 IP路由选择 ARP协议工作原理 ICMP协议（网络控制文协议） 将IP数据包不能传送的错误信息传送给主机 查询报文 ping查询：主机是否可达，通过计算间隔时间和传送多少个包的数量 子网掩码 时间戳：获得当前时间 差错报文 不产生的情况： ICMP差错报文不产生差错报文 源地址为零地址、环目地址、广播地址、多播地址 IP路由器选择协议 静态路由选择 先来看路由选择工作流程： 静态路由选择 配置接口以默认方式生成路由表项，或者使用route add手动添加表项 ICMP报文（ICMP重定向报文）更新表项 动态路由选择（只使用在路由之间） RIP（路由信息协议） 分布式的基于距离向量（路由器到每一个目的网络的距离记录）的路由选择协议 router承担的工作： 给每一个已知路由器发送RIP请求报文，要求给出完整的路由表 如果接受请求，就将自己的路由表交给请求者；如果没有，就处理IP请求表项（自己部分+跳数/没有的部分+16） 接受回应，更新路由表 定期更新路由表（一般为30s，只能说太频繁~） OSPF（开放最短路径优先协议） 分布式链路状态（和这两个路由器都有接口的网络）协议 当链路状态发生变化时，采用可靠的洪泛法，向所有的路由器发送信息（相邻的所有路由器的链路状态） 最终会建立一个全网的拓扑结构图 TCP/IP的三次握手，四次分手 首先我们先来了解TCP报文段
重要的标志我在图中也有标记，重点了解标志位 ACK：确认序号有效 RST：重置连接 SYN：发起了一个新连接 FIN：释放一个连接 三次握手的过程（客户端我们用A表示，服务器端用B表示） 前提：A主动打开，B被动打开
在建立连接之前，B先创建TCB（传输控制块），准备接受客户进程的连接请求，处于LISTEN（监听）状态 A首先创建TCB，然后向B发出连接请求，SYN置1，同时选择初始序号seq=x，进入SYN-SEND（同步已发送）状态 B收到连接请求后向A发送确认，SYN置1，ACK置1，同时产生一个确认序号ack=x+1。同时随机选择初始序号seq=y，进入SYN-RCVD（同步收到）状态 A收到确认连接请求后，ACK置1，确认号ack=y+1，seq=x+1，进入到ESTABLISHED（已建立连接）状态。向B发出确认连接，最后B也进入到ESTABLISHED（已建立连接）状态。 简单来说，就是 建立连接时，客户端发送SYN包（SYN=i）到服务器，并进入到SYN-SEND状态，等待服务器确认 服务器收到SYN包，必须确认客户的SYN（ack=i+1）,同时自己也发送一个SYN包（SYN=k）,即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN-RECV状态 客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认报ACK（ack=k+1）,此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手 在此穿插一个知识点就是SYN攻击，那么什么是SYN攻击？发生的条件是什么？怎么避免？ 在三次握手过程中，Server发送SYN-ACK之后，收到Client的ACK之前的TCP连接称为半连接（half-open connect），此时Server处于SYN_RCVD状态，当收到ACK后，Server转入ESTABLISHED状态。SYN攻击就是 Client在短时间内伪造大量不存在的IP地址，并向Server不断地发送SYN包，Server回复确认包，并等待Client的确认，由于源地址 是不存在的，因此，Server需要不断重发直至超时，这些伪造的SYN包将产时间占用未连接队列，导致正常的SYN请求因为队列满而被丢弃，从而引起网 络堵塞甚至系统瘫痪。SYN攻击时一种典型的DDOS攻击，检测SYN攻击的方式非常简单，即当Server上有大量半连接状态且源IP地址是随机的，则可以断定遭到SYN攻击了，使用如下命令可以让之现行： #netstat -nap | grep SYN_RECV 四次分手的过程（客户端我们用A表示，服务器端用B表示） 由于TCP连接时是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的链接。收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动，既不会在收到数据，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，知道这一方向也发送了FIN，首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭。 前提：A主动关闭，B被动关闭
A发送一个FIN，用来关闭A到B的数据传送，A进入FIN_WAIT_1状态。 B收到FIN后，发送一个ACK给A，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），B进入CLOSE_WAIT状态。 B发送一个FIN，用来关闭B到A的数据传送，B进入LAST_ACK状态。 A收到FIN后，A进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给B，确认序号为收到序号+1，B进入CLOSED状态，完成四次挥手。 简单来说就是 一；客户端A发送一个FIN，用来关闭客户A到服务器B的数据传送（报文段4）。 二；服务器B收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1（报文段5）。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。 三；服务器B关闭与客户端A的连接，发送一个FIN给客户端A（报文段6）。 四；客户端A发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1（报文段7）。 A在进入到TIME-WAIT状态后，并不会马上释放TCP，必须经过时间等待计时器设置的时间2MSL（最长报文段寿命），A才进入到CLOSED状态。为了保证A发送的最后一个ACK报文段能够到达B 防止“已失效的连接请求报文段”出现在本连接中 OK~是不是很难懂的感觉？那就私信我吧。；资料； 注;C/C++ Linux服务器开发学习资料私信“资料”，直接领取全套资料 |
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