深入学习TCP/IP协议（详解）

1.应用层

应用层的作用: 满足我们日常需求的网络程序, 都是在应用层

（1）应用层知名协议

• HTTP协议：超文本传输协议
• HTTPS协议：基于SSL的http协议，在HTTP应用层与TCP传输层之间加了一层安全层，信息在传输之前先进行SSL或TLS安全层加密，然后再传输。
• FTP协议：文件传输协议；可以使主机之间共享文件，用于控制Internet上文件的双向传输。
• DNS协议：DNS是⼀整套从域名映射到IP的系统。
• SSH协议：为远程登录会话和其他网络服务提供安全性的协议

（2）HTTP 协议详解

• URL: 协议http/https://服务器地址（ip、域名):端口号（默认端口号不可省略）/目录地址、页面地址 ？参数(使用=分割) #片段修饰符
• http 默认端口号：80
• https 默认端口号：443

①request 请求头（4部分）

1.首行：方法类型(GET/POST) URL 版本号（HTTP/1.0 1.1）
2.协议头部header：每一行是一个键值对，键和值之间用“：”来分割
3.空行：协议头header的结束标记
4.正文（body）：通常情况下GET方法对应的请求没有body；POST方法对应的请求有body, body部分的格式可能和url中的参数是一样的。
GET 和 POST的区别：GET提交的数据在URL中；POST提交的数据在正文中

②response 响应头（4部分）

1.首行：版本号 响应状态码 状态描述信息
响应状态码：
HTTP详细状态码：

2.协议头部header：每一行是一个键值对，键和值之间用“：”来分割。
3.空行：header部分结束
4.正文body：html

③HTTP常见Header信息

Content-Type: 数据类型(text/html等)
Content-Length: Body的长度
Host: 客户端告知服务器, 所请求的资源是在哪个主机的哪个端口上;
User-Agent: 声明用户的操作系统和浏览器版本信息;
referer: 当前页面是从哪个页面跳转过来的;
location: 搭配3xx状态码使用, 告诉客户端接下来要去哪里访问;
Cookie: 用于在客户端存储少量信息. 通常用于实现会话(session)的功能;

④Session 和 Cookie的区别是啥？

1.Cookie 不安全 、Session 是安全的
2.Cookie 是存储在浏览器端的； Session是存储在服务器端的；
3.Cookie 是有大小限制的(4K)，Session是没有大小限制的。

⑤HTTP 和 HTTPS 区别是啥？

HTTP的特点：

• 无状态：协议对客户端没有状态存储，对事物处理没有“记忆”能力，比如访问一个网站需要反复进行登录操作
• 无连接：HTTP/1.1之前，由于无状态特点，每次请求需要通过TCP三次握手四次挥手，和服务器重新建立连接。比如某个客户机在短时间多次请求同一个资源，服务器并不能区别是否已经响应过用户的请求，所以每次需要重新响应请求，需要耗费不必要的时间和流量。
• 基于请求和响应：基本的特性，由客户端发起请求，服务端响应
• 简单快速、灵活
• 通信使用明文、请求和响应不会对通信方进行确认、无法保护数据的完整性

HTTPS的特点：基于HTTP协议，通过SSL或TLS提供加密处理数据、验证对方身份以及数据完整性保护

• 内容加密：采用混合加密技术，中间者无法直接查看明文内容
• 验证身份：通过证书认证客户端访问的是自己的服务器
• 保护数据完整性：防止传输的内容被中间人冒充或者篡改

（3） 重要应用层协议DNS

DNS是一整套从域名映射到IP的系统，默认端口号：53

①DNS（域名解析协议）

• DNS是应用层协议
• DNS底层使用UDP进行解析
• 浏览器会缓存DNS结果

②域名解析的过程是啥？

(1) 输入域名后, 先查找自己主机对应的域名服务器，域名服务器先查找自己的数据库中的数据.
(2) 如果没有，就向上级域名服务器进行查找， 依次类推
(3) 最多回溯到根域名服务器, 肯定能找到这个域名的IP地址
(4)域名服务器自身也会进行一些缓存， 把曾经访问过的域名和对应的IP地址缓存起来, 可以加速查找过程。

③当在浏览器中输入url之后，会发生什么事情？

④缓解IPV4地址不够用的方法

• 1.IPV6(128位)【弊端：需要更换网 络设备来支持IPV6】
• 2.NAT（将私有IP对外通信时转为全 局IP），私有IP和全局IP进行转换。

⑤NAT技术

NAT技术当前解决IP地址不够用的主要手段, 是路由器的一个重要功能；

• NAT能够将私有IP对外通信时转为全局IP. 也就是就是一种将私有IP和全局IP相互转化的技术

NAT技术的缺点：

（1）NAT服务是有开销的。
（2）NAT服务器挂掉，整个系统都会挂掉。

NAT和代理服务器

• 从应用上讲, NAT设备是网络基础设备之一, 解决的是IP不足的问题. 代理服务器则是更贴近具体应用, 比如通过代理服务器进行,另外像迅游这样的加速器, 也是使用代理服务器.
• 从底层实现上讲, NAT是工作在网络层, 直接对IP地址进行替换.代理服务器往往工作在应用层.
• 从使用范围上讲, NAT一般在局域网的出口部署, 代理服务器可以在局域网做, 也可以在广域网做, 也可以跨网.
• 从部署位置上看, NAT一般集成在防火墙, 路由器等硬件设备上, 代理服务器则是一个软件程序, 需要部署在服务器上.

２.传输层

(1)端口号

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. Tomcat端口号：8080，Mysql端口号：3306

②认识知名端口号

• 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

(2) 传输层知名协议（UDP、TCP）

①UDP 协议（用户数据报协议）

UDP协议端格式：
UDP的特点：

• 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;

UDP缓冲区：

• UDP没有发送缓冲区. 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;

半双工：发送端只能发送消息，不能接收消息。
UDP的socket既能读，也能写，这个概念叫做全双工。
如果我们需要传输的数据超过64K, 就需要在应用层手动的分包, 多次发送, 并在接收端手动拼装;

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

②TCP协议（传输控制协议）

TCP协议段格式：
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

③UDP 和TCP对比

• UDP: 无连接、不稳定、面向数据报、没有发送缓冲区，以高效性著称。
• TCP：有连接、稳定、面向数据流、有发送、接收缓冲区，以稳定性著称。

(3) TCP如何实现可靠传输

①确认应答(ACK)机制

确认应答机制：对收到的信息给发送方发送报文确认收到数据

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超时重传机制

超时重传机制：等待200ms没有收到接收方的确认应答则说明数据丢失，那么就要进行重新发送。
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

主机A未收到B发来的确认应答, 也可能是因为ACK丢失了，利用序列号去重。

③连接管理机制（三次握手、四次挥手）

• 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

因为TCP是有连接的，所以验证（通过３次握手）TCP的４项能力：

• 1.发送端的发送能力
• 2.发送端的接受能力
• 3.接收端的发送能力
• 4.接收端的接受能力

三次握手，四次挥手图示：

④滑动窗口

滑动窗口：进行数据传送前进行协商，确定窗口大小，窗口大小的数据无需等待应答就只可以直接发送，每次进行固定大小数据的发送，发送到窗口最大值再进行确认回复，节省了每次发送数据确认回复。

• 窗口大小指的是无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值. 上图的窗口大小就是4000 个字节(四个段).
• 发送前四个段的时候,不需要等待任何ACK, 直接发送;
• 收到第一个ACK后, 滑动窗口向后移动, 继续发送第五个段的数据; 依次类推;
• 操作系统内核为了维护这个滑动窗口, 需要开辟发送缓冲区 来记录当前还有哪些数据没有应答; 只有确认应答过的数据, 才能从缓冲区删掉;
• 窗口越大, 则网络的吞吐率就越高;

如果出现丢包，如何进行重传？

情况一：　数据包已经抵达，ACK被丢了。 这种情况下, 部分ACK丢了并不要紧, 因为可以通过后续的ACK进行确认;

情况二: 数据包就直接丢了.

• 当某一段报文段丢失之后, 发送端会一直收到 1001 这样的ACK, 就像是在提醒发送端 “我想要的是 1001” 一样;
• 如果发送端主机连续三次收到了同样一个 “1001” 这样的应答, 就会将对应的数据 1001 - 2000 重新发送;
• 这个时候接收端收到了 1001 之后, 再次返回的ACK就是7001了(因为2001 - 7000)接收端其实之前就已经收到了, 被放到了接收端操作系统内核的接收缓冲区中;
• 这种机制被称为 “高速重发控制”(也叫 “快重传”).

⑤流量控制

接收端处理数据的速度是有限的. 如果发送端发的太快, 导致接收端的缓冲区被装满, 这个时候如果发送端继续发送, 就会造成丢包, 继而引起丢包重传等等一系列连锁反应。
　　因此TCP支持根据接收端的处理能力, 来决定发送端的发送速度. 这个机制就叫做流量控制(Flow Control)。
　　

• 接收端将自己可以接收的缓冲区大小放入 TCP 首部中的 “窗口大小” 字段, 通过ACK端通知发送端;
• 窗口大小字段越大, 说明网络的吞吐量越高;
• 接收端一旦发现自己的缓冲区快满了, 就会将窗口大小设置成一个更小的值通知给发送端;
• 发送端接受到这个窗口之后, 就会减慢自己的发送速度;
• 如果接收端缓冲区满了, 就会将窗口置为0; 这时发送方不再发送数据, 但是需要定期发送一个窗口探测数据段, 使接收端把窗口大小告诉发送端.

那么问题来了, 16位数字最大表示65535, 那么TCP窗口最大就是65535字节么?
　　实际上, TCP首部40字节选项中还包含了一个窗口扩大因子M, 实际窗口大小是窗口字段的值左移 M 位;

⑥拥塞控制

TCP引入慢启动机制, 先发少量的数据, 探探路, 摸清当前的网络拥堵状态, 再决定按照多大的速度传输数据;

以慢启动快增长的方式来调节窗口大小，防止网络出现问题，大量数据发送到缓冲区造成数据堆积的情况。少量丢包触发拥塞控制，大量丢包则认为是网络拥塞。
少量的丢包, 我们仅仅是触发超时重传; 大量的丢包, 我们就认为网络拥塞;
　　拥塞控制, 归根结底是TCP协议想尽可能快的把数据传输给对方, 但是又要避免给网络造成太大压力的折中方案.

⑦延迟应答

注意：延迟应答时间不能超过１MSL（最大生存时间），如果超过１MSL，则会导致超时重传，会以为包丢失。

窗口越大, 网络吞吐量就越大, 传输效率就越高. 我们的目标是在保证网络不拥塞的情况下尽量提高传输效率;

那么所有的包都可以延迟应答么? 肯定也不是;

• 数量限制: 每隔N个包就应答一次;
• 时间限制: 超过最大延迟时间就应答一次;
  具体的数量和超时时间, 依操作系统不同也有差异; 一般N取2, 超时时间取200ms;
  

⑧捎带应答

捎带应答：每次确认回复发送一个数据包有点浪费，可以将确认回复和数据一起捎带着发送。

• 面向字节流：数据不会直接发送，而是放在一个缓冲区，操作系统选择一个合适的时机将数据以二进制数据串发送出去；接收方也可以选择一次性接收整条数据也可以选择一次接收一点点，多次接收。
• 但是会引起粘包问题：数据不是直接接收，而是放在缓冲区，那么接收方读取数据的时候就可能会把两条数据当做一条数据接收。
• 发生粘包问题主要是因为TCP在传输层，对数据的格式没有明确的划分。
• 粘包问题解决方案：
  1、给数据定长，以规定大小发送和接收；变长数据，在应用层协议声明中声明数据长度。
  2、以特殊字符作为分隔符，但是发送和接收时要进行编码和解码。

３.网络层

（１）IP协议

①基本概念

主机: 配有IP地址, 但是不进行路由控制的设备;
路由器: 即配有IP地址, 又能进行路由控制;
节点: 主机和路由器的统称;

②IP协议头格式

• 4位版本号(version): 指定IP协议的版本, 对于IPv4来说, 就是4.
• 4位头部长度(header length): IP头部的长度是多少个32bit, 也就是 length * 4 的字节数. 4bit表示最大的数字是15, 因此IP头部最大长度是60字节.
• 8位服务类型(Type Of Service): 3位优先权字段(已经弃用), 4位TOS字段, 和1位保留字段(必须置为0). 4位TOS分别表示: 最小延时, 最大吞吐量, 最高可靠性, 最小成本. 这四者相互冲突, 只能选择一个. 对于ssh/telnet这样的应用程序, 最小延时比较重要; 对于ftp这样的程序, 最大吞吐量比较重要.
• 16位总长度(total length): IP数据报整体占多少个字节.
• 16位标识(id): 唯一的标识主机发送的报文. 如果IP报文在数据链路层被分片了, 那么每一个片里面的这个id都是相同的.
• 3位标志字段: 第一位保留(保留的意思是现在不用, 但是还没想好说不定以后要用到). 第二位置为1表示禁止分片, 这时候如果报文长度超过MTU, IP模块就会丢弃报文. 第三位表示"更多分片", 如果分片了的话, 最后一个分片置为1, 其他是0. 类似于一个结束标记.
• 13位分片偏移(framegament offset): 是分片相对于原始IP报文开始处的偏移.
• 8位生存时间(Time To Live, TTL): 数据报到达目的地的最大报文跳数. 一般是64. 每次经过一个路由, TTL -= 1, 一直减到0还没到达, 那么就丢弃了. 这个字段主要是用来防止出现路由循环
• 8位协议: 表示上层协议的类型
• 16位头部校验和: 使用CRC进行校验, 来鉴别头部是否损坏.
• 32位源地址和32位目标地址: 表示发送端和接收端.
• 选项字段(不定长, 最多40字节): 略

（2）网段划分(重要)

①基本概念及划分网段

IP地址分为两个部分, 网络号和主机号，内网：网络号相同，主机号不同。

网络号: 保证相互连接的两个网段具有不同的标识;
主机号: 同一网段内, 主机之间具有相同的网络号, 但是必须有不同的主机号;

过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案, 把所有IP 地址分为五类, 如下图所示(该图出 自[TCPIP])。

A类 0.0.0.0到127.255.255.255
B类 128.0.0.0到191.255.255.255
C类 192.0.0.0到223.255.255.255
D类 224.0.0.0到239.255.255.255
E类 240.0.0.0到247.255.255.255

随着Internet的飞速发展,这种划分方案的局限性很快显现出来,大多数组织都申请B类网络地址, 导致B类地址很快就分配完了, 而A类却浪费了大量地址;
　　针对这种情况提出了新的划分方案, 称为CIDR(Classless Interdomain Routing):

• 引入一个额外的子网掩码(subnet mask)来区分网络号和主机号;
• 子网掩码也是一个32位的正整数. 通常用一串 “0” 来结尾; 将IP地址和子网掩码进行 “按位与” 操作, 得到的结果就是网络号;
• 网络号和主机号的划分与这个IP地址是A类、B类还是C类无关;
  

②IP地址不够用的原因和解决方案

CIDR在一定程度上缓解了IP地址不够用的问题(提高了利用率, 减少了浪费, 但是IP地址的绝对上限并没有增加), 仍然不是很够用. 这时候有三种方式来解决:

• 动态分配IP地址: 只给接入网络的设备分配IP地址. 因此同一个MAC地址的设备, 每次接入互联 网中, 得到的IP地址不一定是相同的;
• NAT技术(后面会重点介绍);
• IPv6: IPv6并不是IPv4的简单升级版. 这是互不相干的两个协议, 彼此并不兼容; IPv6用16字节 128位来表示一个IP地址; 但是目前IPv6还没有普及;

③私有IP地址和公网IP地址

私有IP地址：

• 10.*,前8位是网络号,共16,777,216个地址
• 172.16.到172.31.,前12位是网络号,共1,048,576个地址
• 192.168.*,前16位是网络号,共65,536个地址
  包含在这个范围中的, 都成为私有IP, 其余的则称为全局IP(或公网IP);

（3）路由

在复杂的网络结构中, 找出一条通往终点的路线;
IP数据包的传输过程也和问路一样.

• 当IP数据包, 到达路由器时, 路由器会先查看目的IP;
• 路由器决定这个数据包是能直接发送给目标主机, 还是需要发送给下一个路由器;
• 依次反复, 一直到达目标IP地址;

４.数据链路层

（１）以太网

①以太网帧格式

• 源地址和目的地址是指网卡的硬件地址(也叫MAC地址), 长度是48位,是在网卡出厂时固化的;
• 帧协议类型字段有三种值,分别对应IP、ARP、RARP;
• 帧末尾是CRC校验码。

②认识MAC地址

• MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点;
• 长度为48位, 及6个字节. 一般用16进制数字加上冒号的形式来表示(例如: 08:00:27:03:fb:19)
• 在网卡出厂时就确定了, 不能修改. mac地址通常是唯一的(虚拟机中的mac地址不是真实的mac地址, 可能会冲突; 也有些网卡支持用户配置mac地址)

（2）对比理解MAC地址和IP地址

• IP地址描述的是路途总体的 起点 和 终点;
• MAC地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点;

（3）MTU（最大传输单元）

MTU相当于发快递时对包裹尺寸的限制. 这个限制是不同的数据链路对应的物理层, 产生的限制。

• 以太网帧中的数据长度规定最小46字节,最大1500字节,ARP数据包的长度不够46字节,要在后 面补填充位;
• 最大值1500称为以太网的最大传输单元(MTU),不同的网络类型有不同的MTU;

①MTU对IP协议的影响

由于数据链路层MTU的限制, 对于较大的IP数据包要进行分包.

• 将较大的IP包分成多个小包, 并给每个小包打上标签;
• 每个小包IP协议头的 16位标识(id) 都是相同的;
• 每个小包的IP协议头的3位标志字段中, 第2位置为0, 表示允许分片, 第3位来表示结束标记(当 前是否是最后一个小包, 是的话置为1,否则置为0);

②MTU对UDP协议的影响

• 一旦UDP携带的数据超过1472(1500 - 20(IP首部) - 8(UDP首部)), 那么就会在网络层分成多个 IP数据报.
• 这多个IP数据报有任意一个丢失, 都会引起接收端网络层重组失败. 那么这就意味着, 如果UDP 数据报在网络层被分片,整个数据被丢失的概率就大大增加了.

③MTU对于TCP协议的影响

• TCP的一个数据报也不能无限大, 还是受制于MTU. TCP的单个数据报的最大消息长度, 称为MSS(Max Segment Size);
• TCP在建立连接的过程中, 通信双方会进行MSS协商.
• 最理想的情况下,MSS的值正好是在IP不会被分片处理的最大长度(这个长度仍然是受制于数据链路层的MTU).
  MSS和MTU的关系：
  

（4）ARP协议（地址解析协议）

ARP不是一个单纯的数据链路层的协议, 而是一个介于数据链路层和网络层之间的协议。
ARP协议的作用：　ARP协议建立了主机 IP地址 和 MAC地址 的映射关系.

在网络通讯时,源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号,却不知道目的主机的硬件地址（MAC地址），则通过ARP（地址解析协议）根据目的主机IP地址映射得到MAC地址，进行通信。